低噪声GaAs/GaSb纳米线雪崩光电探测器的双pn结结构设计及器件研究

With the development of fiber communication, bioimaging and other technologies, higher requirements are put forward for the miniaturization and low noise of avalanche photodetector (APD). Therefore, the development of low noise nanowire APDs has crucial practical significance. At present, noise is the bottleneck of nanowire APDs to the further development. The intrinsic stochastic of avalanche multiplication and mixed carrier injection conditions are main constraints to reduce the excess noise. Aiming at these issues, we carry out the study on "Architecture design and device study on dual-pn junctions nanowire avalanche photodetectors based on GaAs/GaSb with low excess noise" in this project. The structure of the two-level avalanche regions designed from successive dual-pn junctions, and the ionization threshold energy drop of the materials are used to make the multiplication factor can reach the product of the two multiplication factors, when the determination of the avalanche multiplication position is enhanced. Moreover, a hole potential well was designed in the energy band structure to limit the holes effectively, and a large number of holes immediately flow out from the mid-electrode, which are restrained from impact ionization and greatly reduce the excess noise. It can be expected that the excess noise of the dual-pn junctions nanowire APD will be about one order of magnitude lower than that of the single-junction device in this project, which would further promote the research on the impact ionization mechanism of III-V group materials.

随着光纤通讯、生物成像等技术的发展，对雪崩光电探测器（APD）元件的微型化和低噪声特性不断提出更高要求。因此，开展低噪声纳米线APD的研究具有重要的现实意义。目前，噪声问题是阻碍纳米线APD发展的瓶颈。雪崩倍增发生的随机性和混合载流子参与雪崩是加重噪声的两个主要原因。针对这两个方面，本项目开展“低噪声GaAs/GaSb基纳米线雪崩光电探测器的双pn结结构设计及器件研究”。利用连续双pn结设计出的两级雪崩区结构和材料的离化阈值能量落差，使器件倍增因子有机会达到两结倍增因子的乘积，并加强雪崩倍增发生位置的确定性。并在能带结构中设计空穴势阱有效限制空穴，引出中端电极即时分流出大量空穴，避免其碰撞离化参与雪崩倍增，大大降低增益噪声。此方案有望实现增益噪声比单结器件低约一个量级的纳米线雪崩光电探测器。并进一步完善III-V族材料碰撞离化机制的研究。

具有内增益、低功耗和高灵敏度的低噪声雪崩光电探测器（APD）组件在光纤通信、激光测距、生物成像等重要应用领域有着切实的需求。随着这些领域的不断发展，对APD的微型化也提出了更高的要求。与薄膜材料相比，纳米材料具有量子尺寸效应，能够将光子和电子的运动有效地限制在一维尺度内，有利于提升APD的量子效率和响应度。我们提出了一种吸收区-电荷区-倍增区分离(SACM) 结构的雪崩光电二极管，利用碰撞电离工程设计了双电荷层双倍增层结构的APD, 通过在倍增区中设置电离阈值能量的分级，控制碰撞电离的位置, 从而降低噪声。采用器件仿真器Silvaco 对器件进行建模, 仿真计算了新结构器件的能带结构、电场分布、暗电流、光响应电流和增益等。新结构器件可以获得较低的噪声系数k(k=α/β，其中α、β分别为空穴与电子的电离系数)，在30V电压下，k=0.15。与常规的SACM结构APD相比，分析结果表明,新结构APD器件具有了较好的噪声特性。为了获得较高的响应度，光电流信号需要最大化，即最大限度地减少载流子损耗。由于电子和空穴在器件内的空间分布是重叠的，在对向传输的过程中，不可避免地会发生大量复合。因此，我们建立一个电子和空穴传输路径独立、互不干扰的模型，势必能够使纳米线光电探测器的性能大幅提升。通过势垒型能带结构的设计，实现了一种电子/空穴自定位传输的独特二维电子-空穴管道（2DEHT）结构纳米线光电探测器。2DEHT结构可以有效地使光生电子和空穴分别自行聚集在界面势垒处，传输路径自行分离，这在限制载流子径向扩散的同时，使电子和空穴可以沿着它们各自专属的管道有效地传输，实现载流子的自定位传输，这种结构显著减少了载流子的复合。.在项目执行期间，发表了高水平学术论文29篇，其中SCI收录27篇，EI收录2篇；申请国家发明专利5项；获得吉林省科学技术一等奖一项；培养了长白山特聘青年拔尖人才1名；培养博士研究生4名，硕士研究生3名。