复合型紫外探测器的建模与设计

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1、学校代码10530学号201330101201分类号TN713密级公开硕士学位论文复合型紫外探测器的建模与设计学位申请人田满芳指导教师金湘亮教授学院名称物理与光电工程学院学科专业电子科学与技术研究方向集成电路设计二零一六年五月ModelingandDesignofCompositePhotodetectorforUVSpectralRangeCandidateManfangTianSupervisorProfessorXiangliangJinCollegeSchoolofPhysicsandOptoelectricE

2、ngineeringProgramDesignofIntegratedCircuitSpecializationElectronicsScienceandTechnologyDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateMay,2016I摘要随着民事和军事工业的崛起，紫外探测技术的研究受到了学术界和产业界的热捧。然而，市场需求的扩大化使得紫外探测器需要操作的环境也越来越复杂、苛刻。因此，波长选择性高、光强探测范围广、温度稳定好、工艺简单以及低成本成为了

3、以市场为导向的紫外探测器的发展方向。而基于标准CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)工艺的紫外探测系统能够克服如今市面上存在的紫外探测器的诸多缺点。目前，单芯片集成的硅基紫外探测系统主要的研究瓶颈在于满足波长选择性和微光探测要求的紫外探测器的设计。本论文宗旨是提出复合型紫外器件设计方案，并从理论和试制两方面验证它的可行性。主要从基本半导体感光物理原理出发，针对目前研究存在的缺陷，结合CMOS工艺特点和已有的研究基础，提出复合型器件设计的研究思路。通过CMOS工艺下三种基本感

4、光器件的原理分析研究，合理利用三者之间的优势和避免其劣势，提出了结合三者特点的复合型器件结构的设计方案。另外，通过建立基于电荷控制的静态模型、P+well/Nwell二极管/PMOSFET模型以及P-Nwell-Pwell压控模型三种模型，从理论的角度分析器件的光阈值特性、I-V特性以及光谱特性，获得结构带来的复合器件的性能信息。然后，按照CMOS工艺的标准，设置仿真的参数，利用MATLAB求解特性方程-与数值模拟。根据仿真结果和流片工艺的设计规则，确定了最终流片的器件结构。本文基于GSMC0.18μmCMOS工艺，提

5、出的复合型器件以30×30阵列形式进行了流片试制，面积共为378.5μm×378.5μm，其中感光面积的比例为79.3%，并完成了部分芯片测试工作。本文主要对器件的光谱响应、转移特性和输出特性进行了详细的分析。复合型器件能够通过调节阳极偏置电压VRS来获得较大的波长选择性。固定阳极偏置电压V3RS在-0.5V，器件的波长选择性增加到10量级。器件最合适的工作电压是在0V~-2V之间，在该电压范围内，由光照产生的背栅效应最显著。与传统的硅基紫外光电二极管的响应度（约0.2A/W）相比，本工作设计的紫外探测器有了很大的提高

6、。当栅压在-0.5V到-1.2V之间时，DC响应具有较大的增长趋势。另外，测试结果表明，器件能够成功地探测到对极弱（ultral-weak）光。然而，与模型的仿真结果一致，器件对光照强度的响应具有明显的饱和性。关键词：感光器件；复合型；紫外偏蓝；数值模型；CMOS工艺IIAbstractWiththedevelopmentofcivilandmilitaryindustries,theresearchofultravioletdetectiontechnologyhasbeeninhotpursuitbytheacad

7、emicandindustrialcircles.Theexpansionofmarketdemandmakesoperatingenvironmentoftheultravioletdetectormorecomplexanddemanding.Therefore,highwavelengthselectivity,widedetectionrange,hightemperaturestability,simpleprocessandlowcosthasbecomethedevelopmentdirectionoft

8、heUVdetectorwiththemarketorientation.TheultravioletdetectionsystembasedonstandardCMOStechnologycanovercomemanyshortcomingsinthepresentmarket.Atpresent,meetingtherequi