npn型algan日盲光电晶体管器件物理与结构设计【字数：8798】
通过调整III族氮化物紫外探测器材料的配比，可以调节器件响应的截止波长，并且III族氮化物紫外探测器具有高增益，低噪声的特点。为实现高增益，III族氮化物器件需要在较高的电压下工作，但是由于P型Al0.4Ga0.6N材料激活能较高，难以形成理想欧姆接触，因此本文提出利用NPN型器件结构来实现日盲探测，以110nm的Al0.55Ga0.45N作为发射区，以100nm的Al0.4Ga0.6N作为基区，以200nm的Al0.4Ga0.6N作为集电区设计器件，发射区作为光学窗口层，使280nm紫外光穿过发射区到达基区，在基区产生光生载流子作为电流输入，最后在集电区被收集。发射区110 nm Al0.55Ga0.45N层晶格常数较小，将受衬底张应力作用，在50 nm Al0.4Ga0.6N层产生与反偏电压方向相反的极化电场，在界面处导带产生了凸起。器件在55V偏压下50 nm Al0.4Ga0.6N层内电场强度基本为0，所以在低频下表现为空穴噪声，高频表现为电子噪声。器件在36V偏压下表现为电子噪声，80V表现为空穴噪声。论文通过对NPN型AlGaN光电晶体管能带、电场、噪声、电流电压的分析，为该器件的应用提供了理论指导。
Key Words：NPN, Group III nitrides, Phototransistor. 目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2 Ⅲ族氮化物材料的基本结构和性质 2
1.2.1III族氮化物材料的基本结构与物理特性 2
1.2.2 III族氮化物的极化效应 3
1.3紫外探测器的研究现况及其存在的问题 4
1.4本文的工作 5
第二章 设计原理 6
2.1 PN结的形成及特性表达式 6
2.1.1 PN结的形成 6
2.1.2 PN结IV特性的表达式 6
2.2放大状态下晶体管的工作原理 7
2.2.1放大状态下晶体管中载流子的传输过程 7
2.2.2电流分配关系 8
2.3本章小结 9
第三章 模拟工具 10
3.1 Silvaco TCAD简介 10
3.2 Silv *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
aco TCAD的组成 10
3.3物理模型 10
3.3.1泊松方程和载流子方程 10
3.3.2费米统计模型 11
3.3.3空间电荷不完全离化模型 11
3.4本章小结 12
第四章 NPN型AlGaN日盲光电晶体管性能分析 13
4.1 NPN型AlGaN日盲光电晶体管结构 13
4.2 NPN型AlGaN日盲光电晶体管的光电特性 14
4.2.1能带分析 14
4.2.2不同电压下电场强度分析 17
4.2.3伏安特性分析 18
4.2.4 不同电压下噪声分析 19
4.3本章小结 20
总结 22
参考文献 23
致谢 25
第一章 绪论
1.1引言
随着半导体科技产业的不断发展，对宽禁带半导体性能的深入研究，氮化物材料以其优良较宽的禁带宽度和极化效应，在日常生活和社会发展中占据重要的地位，氮化物半导体成为现在研究的热点领域。其中在紫外发光二极管、双极型晶体管、紫外探测器等方面取得了重要进展。紫外探测技术作为一种新型探测技术，在社会生活和军事领域中有着广泛的应用。
由于大气层中的臭氧，日盲区的紫外线被大量的吸收，所以日盲区紫外线不适合远距离传输，但是盲区紫外线可以避开背景辐射与电磁干扰，具有很强的保密性和反侦测能力。如果要将日盲区深紫外线作为通信介质，可以人为有效的将通信信号的辐射范围控制在小范围内。
紫外探测技术有许多应用：在医学方面，利用紫外成像系统可以对器官损坏情况、病变细胞等进行实时准确的检测；在环境监控方面，AlGaN紫外探测器可以对PM2.5、臭氧、和森林火灾预警等进行全天候实时准确的监测；在光谱分析、工业锅炉温度监控、深空探测和快速成像等方面紫外探测器中也有重要的应用价值。
目前，国际研究紫外探测器的科研机构与高校主要有：美国西北大学、佐治亚理工学院、麻省理工学院和APA Optics公司等。AlGaN材料的日盲光电探测器在1998年首次被美国APA Optics公司报道，2005年，增益在103之下的pin结构AlGaN日盲日盲光电探测器被美国西北大学报道，且日盲点暗电流密度高达103A/cm2量级[1]，2007年土耳其学者报道了雪崩增益为1560的pin结构AlGaN日盲雪崩光电二极管，将雪崩点暗电流密度降低到了105A/cm2量级。我们国内主要是中科院和部分大学在研究，比如中科院上海技术物理研究所、中科院半导体所、长春光机所、南京大学、中山大学、华中科技大学、清华大学等。
图11医疗检测 图12太空探测
1.2 III族氮化物材料的基本结构和性质
1.2.1 III族氮化物材料的基本结构与物理特性
/
图13 六方纤锌矿结构
/
图14立方闪锌矿结构
传统的半导体材料是一种稳定的金刚石或闪锌矿，第三代半导体材料以III族氮化物为主，III族氮化物材料中的纤锌矿结构和闪锌矿结构分别如图13、图14所示[2]。上图显示了电子和空穴的分布，为我们的研究提供了理论基础。一般情况，III族氮化物以六方纤锌矿结构稳定存在；但在高压下由于相变会使得纤锌矿结构变为氯化钠结构；而在异质外延上生长也会出现一种亚稳态结构，就是闪锌矿结构。
III族氮化物材料是宽禁带半导体，它们的禁带宽度在0.7eV~6.2eV，范围包括了可见光（包括红、黄、绿和蓝色）以及紫外光谱的范围[3]。宽禁带半导体的一些重要参数如表1.1所示，表中的参数也为我们的研究提供了理论基础。此外，III族氮化物具有很强的极化效应。
材料
GaN
AlN
InN
4HSiC
结构
纤锌矿
纤锌矿
纤锌矿
纤锌矿
晶格常数 α
3.189
3.111
3.544
3.073
Key Words：NPN, Group III nitrides, Phototransistor. 目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2 Ⅲ族氮化物材料的基本结构和性质 2
1.2.1III族氮化物材料的基本结构与物理特性 2
1.2.2 III族氮化物的极化效应 3
1.3紫外探测器的研究现况及其存在的问题 4
1.4本文的工作 5
第二章 设计原理 6
2.1 PN结的形成及特性表达式 6
2.1.1 PN结的形成 6
2.1.2 PN结IV特性的表达式 6
2.2放大状态下晶体管的工作原理 7
2.2.1放大状态下晶体管中载流子的传输过程 7
2.2.2电流分配关系 8
2.3本章小结 9
第三章 模拟工具 10
3.1 Silvaco TCAD简介 10
3.2 Silv *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
aco TCAD的组成 10
3.3物理模型 10
3.3.1泊松方程和载流子方程 10
3.3.2费米统计模型 11
3.3.3空间电荷不完全离化模型 11
3.4本章小结 12
第四章 NPN型AlGaN日盲光电晶体管性能分析 13
4.1 NPN型AlGaN日盲光电晶体管结构 13
4.2 NPN型AlGaN日盲光电晶体管的光电特性 14
4.2.1能带分析 14
4.2.2不同电压下电场强度分析 17
4.2.3伏安特性分析 18
4.2.4 不同电压下噪声分析 19
4.3本章小结 20
总结 22
参考文献 23
致谢 25
第一章 绪论
1.1引言
随着半导体科技产业的不断发展，对宽禁带半导体性能的深入研究，氮化物材料以其优良较宽的禁带宽度和极化效应，在日常生活和社会发展中占据重要的地位，氮化物半导体成为现在研究的热点领域。其中在紫外发光二极管、双极型晶体管、紫外探测器等方面取得了重要进展。紫外探测技术作为一种新型探测技术，在社会生活和军事领域中有着广泛的应用。
由于大气层中的臭氧，日盲区的紫外线被大量的吸收，所以日盲区紫外线不适合远距离传输，但是盲区紫外线可以避开背景辐射与电磁干扰，具有很强的保密性和反侦测能力。如果要将日盲区深紫外线作为通信介质，可以人为有效的将通信信号的辐射范围控制在小范围内。
紫外探测技术有许多应用：在医学方面，利用紫外成像系统可以对器官损坏情况、病变细胞等进行实时准确的检测；在环境监控方面，AlGaN紫外探测器可以对PM2.5、臭氧、和森林火灾预警等进行全天候实时准确的监测；在光谱分析、工业锅炉温度监控、深空探测和快速成像等方面紫外探测器中也有重要的应用价值。
目前，国际研究紫外探测器的科研机构与高校主要有：美国西北大学、佐治亚理工学院、麻省理工学院和APA Optics公司等。AlGaN材料的日盲光电探测器在1998年首次被美国APA Optics公司报道，2005年，增益在103之下的pin结构AlGaN日盲日盲光电探测器被美国西北大学报道，且日盲点暗电流密度高达103A/cm2量级[1]，2007年土耳其学者报道了雪崩增益为1560的pin结构AlGaN日盲雪崩光电二极管，将雪崩点暗电流密度降低到了105A/cm2量级。我们国内主要是中科院和部分大学在研究，比如中科院上海技术物理研究所、中科院半导体所、长春光机所、南京大学、中山大学、华中科技大学、清华大学等。
图11医疗检测 图12太空探测
1.2 III族氮化物材料的基本结构和性质
1.2.1 III族氮化物材料的基本结构与物理特性
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图13 六方纤锌矿结构
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图14立方闪锌矿结构
传统的半导体材料是一种稳定的金刚石或闪锌矿，第三代半导体材料以III族氮化物为主，III族氮化物材料中的纤锌矿结构和闪锌矿结构分别如图13、图14所示[2]。上图显示了电子和空穴的分布，为我们的研究提供了理论基础。一般情况，III族氮化物以六方纤锌矿结构稳定存在；但在高压下由于相变会使得纤锌矿结构变为氯化钠结构；而在异质外延上生长也会出现一种亚稳态结构，就是闪锌矿结构。
III族氮化物材料是宽禁带半导体，它们的禁带宽度在0.7eV~6.2eV，范围包括了可见光（包括红、黄、绿和蓝色）以及紫外光谱的范围[3]。宽禁带半导体的一些重要参数如表1.1所示，表中的参数也为我们的研究提供了理论基础。此外，III族氮化物具有很强的极化效应。
材料
GaN
AlN
InN
4HSiC
结构
纤锌矿
纤锌矿
纤锌矿
纤锌矿
晶格常数 α
3.189
3.111
3.544
3.073
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