SOI基CMOS RCE光電探測器的研究與設(shè)計.pdf

1、在光電技術(shù)快速發(fā)展的推動下，光電器件得以迅速發(fā)展，其在光通信系統(tǒng)、成像系統(tǒng)及軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。特別是近年來半導(dǎo)體材料和器件結(jié)構(gòu)的不斷研究發(fā)展，光電探測器件向著高靈敏度和高性能方向發(fā)展，其工作波長范圍也向紅外、紫外方向發(fā)展，但其發(fā)展仍受制于成本和工藝復(fù)雜度等問題，且目前CMOS工藝可兼容的光電探測器普遍存在量子效率偏低、工作帶寬較窄等性能問題。因此，開展高速、高量子效率和波長選擇性探測的CMOS可集成光電探測器(Photodete

2、ctor，PD)的研究，具有很重要的現(xiàn)實意義。
　　本文提出將F-P諧振微腔引入到SOI CMOS工藝中，構(gòu)建一種新型的SOI基CMOS兼容的諧振腔增強(qiáng)型（resonant cavity enhanced，RCE）光電探測器結(jié)構(gòu)，并圍繞著RCE光電探測器開展了理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化、性能對比和工藝流程設(shè)計、版圖繪制等研究工作。主要研究內(nèi)容如下：
　　1、在研究和分析常見的RCE光電探測器的工作原理、性能參數(shù)以及其結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣

3、基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的提出了一種SOI基CMOS可兼容的RCE PD結(jié)構(gòu)，并調(diào)整優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，力求改善CMOS RCE PD性能較差的問題。
　　2、分析PD的光電轉(zhuǎn)換機(jī)理及載流子特性，建立了優(yōu)化的SOI基RCE PD結(jié)構(gòu)。詳細(xì)分析器件材料、RCE的DBR反射鏡結(jié)構(gòu)，再數(shù)值模擬優(yōu)化諧振腔結(jié)構(gòu)，并結(jié)合工藝實現(xiàn)性，最終確定850nm光波長SOI基RCE PD結(jié)構(gòu)。
　　3、開展了SOI CMOS RCE光電探測器結(jié)構(gòu)的TCAD仿真實現(xiàn)

4、和電學(xué)特性模擬。通過設(shè)計合理的工藝流程，再運用TCAD仿真軟件進(jìn)行RCE PD器件的仿真實現(xiàn)和量子效率、響應(yīng)度等參數(shù)的光電特性仿真。對比仿真結(jié)果和理論模擬結(jié)果，兩者的最大誤差在19％之內(nèi)，基本驗證了模擬仿真的可靠性及器件結(jié)構(gòu)的可行性。
　　4、設(shè)計多種RCE光電探測器件版圖?；?μmCMOS工藝的SOI基CMOS RCE光電探測器版圖包括基本雙光電、條柵型雙光電、Lateral PIN、空間調(diào)制型四類結(jié)構(gòu)，受光面積30μm*30

5、μm、40μm*40μm和50μm*50μm三種，根據(jù)器件P+橫向間距、P+寬度、P+/N+橫向間距等尺寸細(xì)分畫出不同的器件結(jié)構(gòu)，共330個器件結(jié)構(gòu)。
　　通過全文的研究及仿真結(jié)果驗證了SOI基CMOS RCE光電探測器新結(jié)構(gòu)的正確性，相比于普通CMOS光電探測器，其量子效率提高了50%以上，且工藝流程更加簡單，達(dá)到了高性能、低成本、易實現(xiàn)的設(shè)計目標(biāo)。本文系統(tǒng)性分析SOI基CMOS RCE光電探測器的設(shè)計流程，為下一步實現(xiàn)SOI基