單芯片集成用紫外增強(qiáng)光電探測器的模擬與實(shí)現(xiàn).pdf

1、目前的紫外探測器主要基于SiC、GaN、AlGaN等寬禁帶半導(dǎo)體材料制作而成，具有價格貴、體積龐大等缺點(diǎn)；其次，由于它們無法與后續(xù)的信號讀出與處理電路進(jìn)行單芯片集成，使得整個紫外探測系統(tǒng)至少需要三塊芯片組合才能實(shí)現(xiàn)，造成了系統(tǒng)龐大復(fù)雜，功耗高的缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的硅基紫外光電二極管雖然可以實(shí)現(xiàn)將感光器件和CMOS電路進(jìn)行單芯片集成，但響應(yīng)度和量子效率普遍較低。本文從解決硅基紫外光電二極管響應(yīng)度和量子效率低的角度出發(fā)，結(jié)合MOSFET高動態(tài)范圍、

2、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)及光電二極管指數(shù)型大電流優(yōu)點(diǎn)，利用PN結(jié)的載流子注入特點(diǎn)，克服MOSFET器件單一載流子導(dǎo)電而電流密度小的缺點(diǎn)，研究一種單芯片集成用硅基復(fù)合型紫外增強(qiáng)型光電探測器。
　　本文設(shè)計(jì)的紫外增強(qiáng)型光電探測器包含MOS場效應(yīng)晶體管和光電二極管兩部分，MOS晶體管的襯體懸浮，光電二極管通過橫向PN結(jié)實(shí)現(xiàn)。在適當(dāng)?shù)钠秒妷合?，MOS管導(dǎo)電溝道形成。沒有光照時，檢測出一次MOS管的漏極電流。有光照時，橫向PN結(jié)利用內(nèi)建電場將光生載流

3、子注入MOS管的襯體內(nèi)，改變襯底電勢，引起MOS管閾值電壓變小。在外加偏置電壓不變的情況下，MOS管閾值電壓的減小將增大晶體管的漏極輸出電流，此時第二次檢測出漏極電流，將兩次得到的漏極電流做差，就得到了器件的光響應(yīng)電流。
　　本文首先利用Silvaco TCAD工藝與器件仿真工具對新器件的柵極寬度、條紋狀柵極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較深入的討論，目的是為了研究MOS管柵極寬度對導(dǎo)電溝道下的耗盡層勢阱收集光生載流子能力的影響，以及模擬條紋狀柵極結(jié)

4、構(gòu)對紫外（短波）的吸收情況，判斷二者對器件性能的影響，指導(dǎo)流片器件結(jié)構(gòu)的確定。其次，對確定流片的器件結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步的電學(xué)特性和光學(xué)特性方面的模擬和分析，包括襯體電勢、轉(zhuǎn)移特性、輸出特性、光譜響應(yīng)以及直流特性等。
　　仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的新器件對紫外（短波）比近紅外波（長波）具有更大的光響應(yīng)電流。對微弱光信號表現(xiàn)出更加驚人的直流響應(yīng)度。該紫外增強(qiáng)光電探測器在紫外光探測及微弱光檢測方面存在很高的應(yīng)用價值。最后，通過標(biāo)準(zhǔn)0.5μmCMO