Analysis of CMOS Photodiodes. I. Quantum efficiency

An improved one-dimensional (1-D) analysis of the CMOS photodiode has been derived in which the effect of the substrate, which forms a high-low junction with the epitaxial layer, has been included. The analytical solution was verified with numerical simulations based on parameters extracted from a standard 0.35 /spl mu/m CMOS process. Two empirical parameters are suggested to offset the unavoidable inaccuracies in the extracted parameter values. The derived semiempirical expression exhibits a good agreement with the measured spectral response. In Part II of this paper, a three-dimensional (3-D) analysis of lateral photoresponse in CMOS photodiode arrays is presented along with an empirical modeling method utilizing test linear photodiode arrays.     

Quantum Efficiency Analysis of InAs–GaSb Type-II Superlattice Photodiodes

We compare the experimentally measured and theoretically calculated quantum efficiency (QE), where an analytical drift–diffusion photocurrent model is used, of $hbox{n}^{+}$ -on-p InAs–GaSb superlattice (SL) photodiodes. With inputs of the transport parameters obtained by the electron-beam-induced current technique and absorption coefficient spectra calculated by the eight-band $hbox{k}cdot hbox{p}$ method for the p-SL, $hbox{n}^{+}$ -SL, and depletion region, taking into account the band filling effect, we show that the drift–diffusion photocurrent model is a good approximation for the InAs–GaSb type-II SL photodiodes, which implies that the SL depletion region in InAs–GaSb SL photodiodes is as effective as that in bulk semiconductor photodiodes in terms of collecting the photo-excited electron–hole pairs. Using this theoretical model, we also find that the high doping density in n-type SL degrades the QE by reducing the absorption coefficient. As a result, the n-type doping density is suggested to be below $1times 10^{17} hbox{cm}^{-3}$ in order to optimize the QE for the studied InAs–GaSb SL photodiodes.      

Analysis of CMOS Photodiodes. II. Lateral photoresponse

For pt.I see ibid., vol.50, no.5, p.1233-38 (2003). In Part I of this paper, an improved one-dimensional (1-D) analysis and a semiempirical model of quantum efficiency for CMOS photodiode was illustrated. In this part of the paper, the lateral photoresponse in CMOS photodiode arrays is investigated with test linear photodiode arrays and numerical device simulations. It is shown that the surface recombination and mobility degradation along the Si-SiO/sub 2/ interface are important factors in determining the lateral photoresponse of CMOS photodiodes. The limitations of traditional analytical approaches are briefly discussed in this context, and a novel three-dimensional (3-D) analysis of lateral photoresponse is presented. Given the significant dependence of lateral photoresponse on the Si-SiO/sub 2/ interface quality, an empirical characterization method is proposed as a more reliable solution to modeling lateral photoresponse.     

波长扩展InGaAs探测器的量子效率优化

通过建立双异质结型InGaAs探测器光响应的理论模型,分别对正面和背面进光时InP基波长扩展In0.8Ga0.2As/In0.79Al0.21As PIN探测器结构参数与光响应特性的关系进行了研究,模拟结果与采用GSMBE方法研制器件的实测数据吻合较好.此外,还提出了两种改良的背照射InGaAs探测器结构,并对其光响应特性进行了模拟计算,还基于模拟结果对器件结构参数进行了优化设计.     

高量子效率前照式GaN基p-i-n结构紫外探测器

研究了Al0.1Ga0.9N/GaN异质结p-i-n结构可见盲紫外探测器的制备与性能.p区采用Al组分含量为0.1的AlGaN外延材料形成窗口层,使340～365nm波段的紫外光可以直接透过p区到达i区并被吸收,有效提高了这个波段的响应率与量子效率.并且研究了不同p区AlGaN外延层厚度对探测器性能的影响,制备了两种不同p区厚度(0.1μm和0.15μm)的器件,测试结果表明,p区的厚度对200～340nm波段光吸收的量子效率影响较大,而i区的晶体质量的提高可以有效提高340～365nm波段光吸收的量子效率.并且当p区AlGaN厚度为0.15μm时,器件的峰值响应率达到0.214A/W,在考虑表面反射时外量子效率高达85.6%,接近理论极限,并且在零偏压时暗电流密度为3.16nA/cm2,表明器件具有非常高的信噪比.     

高量子效率前照式GaN基p-i-n结构紫外探测器

研究了Al0.1Ga0.9N/GaN异质结p-i-n结构可见盲紫外探测器的制备与性能.p区采用Al组分含量为0.1的AlGaN外延材料形成窗口层,使340～365nm波段的紫外光可以直接透过p区到达i区并被吸收,有效提高了这个波段的响应率与量子效率.并且研究了不同p区AlGaN外延层厚度对探测器性能的影响,制备了两种不同p区厚度(0.1μm和0.15μm)的器件,测试结果表明,p区的厚度对200～340nm波段光吸收的量子效率影响较大,而i区的晶体质量的提高可以有效提高340～365nm波段光吸收的量子效率.并且当p区AlGaN厚度为0.15μm时,器件的峰值响应率达到0.214A/W,在考虑表面反射时外量子效率高达85.6%,接近理论极限,并且在零偏压时暗电流密度为3.16nA/cm2,表明器件具有非常高的信噪比.     

标准CMOS工艺光电二极管及光标签的研制

提出了一种作为无源射频(RFID)识别标签电源的光电二极管。此方案采用光电转换获取能量的方式替代传统电磁辐射获得能量的方式,克服了传统方案中RFID读写器辐射强且RFID Tag抗干扰能力差的缺点。光电二极管采用标准UMC 0.18μm CMOS工艺制作在RFID Tag上。研究了光电二极管的光伏及伏安特性,并给出了实验结果;使用低压测试电路对制作完毕的PD进行了功率输出性能实验,实验结果证明PD满足设计指标和后续电路的使用要求;对实验数据进行系统建模和参数估计,建立了可以应用于Cadence仿真环境的光电二极管模型;最后,利用仿真模型进行光标签的设计,流片测试结果证明了光标签的可行性。     

Improved External Quantum Efficiency of GaN p-i-n Photodiodes With a TiO2 Roughened Surface

Gallium nitride p-i-n ultraviolet photodiodes (PDs) with a titanium dioxide (TiO₂) nano-particles roughened surface have been fabricated. It was found that the responsivity and external quantum efficiency can be improved 60% on the surface roughened PDs. It was also found that light absorption can be enhanced from various incident angles by the TiO₂ roughened surface. Furthermore, the high detectivity of 9.2 times 10¹³ cmldrHz^{1 /2}ldrW^-1 can be achieved from the PD with a rough surface.     

基于HV-CMOS工艺集成PIN光敏元的CMOS传感器设计

PIN光电二极管相对于pn结型光电二极管具有结电容小、量子效率高等优点,但采用标准低压CMOS(LV-CMOS)工艺研制的CMOS传感器只能实现基于n阱/p衬底的pn结光敏元与片上电路的集成,高压CMOS(HV-CMOS)工艺的发展为CMOS电路与PIN光敏元列阵的单片集成提供了可能。基于HV-CMOS工艺设计了一种集成PIN光敏元列阵的CMOS传感器,并对器件的光电响应进行了测试评估。结果表明,集成PIN光敏元的CMOS传感器具有更高的像素增益和量子效率,而暗电流、输出摆幅、线性度等特性保持良好。在500~900nm宽波段范围内,器件的量子效率均达到80%以上,在950nm附近的量子效率达到25%,优于采用其他工艺制作的CMOS传感器。     

透射式GaAs光阴极量子效率分析

通过对透射式ＧａＡｓ光阴极“三物理过程”的描述和理论分析，指出了影响量子效率的不利因素，讨论和提出了克服，消除这些不利因素的方法，措施和途径。     

用于生物荧光检测的高灵敏CMOS双结深光电传感器设计

基于标准CMOS工艺,可实现单结深光电二极管传感器(p+/n-well、n-well/p-sub和n+/p-sub)和双结深光电二极管传感器(p+/n-well/p-sub)。建立了双结深光电二极管传感器的光电响应数学模型,仿真了四种结构的光敏响应。采用上华0.5μm CMOS工艺实现了p+/nwell和p+/n-well/p-sub两种结构,传感面积为100μm×100μm。p+/n-well型结构在400nm波长,60lux光强下光电流为1.55nA,暗电流为13pA,p+/n-well/p-sub型结构在同等条件下光电流为2.15nA,暗电流为11pA。测试表明,设计的双结深光电传感器具有更高的灵敏度,可用于微弱的生物荧光信号检测。     

新型双吸收层光探测器量子效率的理论分析

随着光纤通信技术的发展,高量子效率、高速响应光电探测器在长距离高速光纤通信系统中的作用尤显突出。利用传输矩阵法(TMM)对新型双吸收层光电探测器(RCE-PINIP)的量子效率进行了理论计算,然后对其进行了相应的理论仿真。结果显示,在50～800nm厚度范围内,随着双吸收层厚度逐渐变大,RCE-PINIP模型的量子效率会出现多个峰值,量子效率的峰值先增大到最大值,在两个单吸收层厚度同为325nm时,量子效率达到98.6%,然后峰值逐渐递减。在两个单吸收层厚度分别固定为325nm时,量子效率随另一个单吸收层厚度的变化关系几乎相同。针对这个RCE-PINIP模型结构,通过对两个单吸收层厚度分别进行优化,得到了一个能实现高量子效率的优化结构模型。     

量子阱太阳能电池的外量子效率

通过实验比较了砷化镓量子阱太阳能电池与不含量子阱结构的普通砷化镓太阳能电池的外量子效率. 结果表明,量子阱太阳能电池吸收光子的波长从870nm 扩展到了1000nm. 当波长小于680nm时,量子阱太阳能电池的外量子效率低于普通太阳能电池;而当波长大于于680nm时,量子阱太阳能电池的外量子效率高于普通太阳能电池. 对这个现象给出了解释,并对用量子阱太阳能电池代替三结电池的中间子电池的可能性进行了讨论.     

量子阱太阳能电池的外量子效率

通过实验比较了砷化镓量子阱太阳能电池与不含量子阱结构的普通砷化镓太阳能电池的外量子效率.结果表明,量子阱太阳能电池吸收光子的波长从870nm扩展到了1000nm.当波长小于680nm时,量子阱太阳能电池的外量子效率低于普通太阳能电池;而当波长大于于680nm时,量子阱太阳能电池的外量子效率高于普通太阳能电池.对这个现象给出了解释,并对用量子阱太阳能电池代替三结电池的中间子电池的可能性进行了讨论.     

Thermal Analysis of High-Power InGaAs–InP Photodiodes

InGaAs-InP charge-compensated unitraveling-carrier photodiodes with thick depletion region are demonstrated. A 40-mum-diameter photodiode achieved 10-GHz bandwidth and 24.5dBm RF output power. A 100-mum-diameter photodiode achieved bandwidth of 2 GHz and 29 dBm RF output power. Simulation of the temperature distribution in devices is also presented     

基于传统的CMOS工艺延伸漏极NMOS功率管研究

延伸漏极N型MOS（EDNMOS）是基于传统低成本CMOS工艺设计制造,用N-well作为NMOS漏极漂移区,以提高其击穿电压。用二维器件模拟软件Medicici对该器件进行模拟分析,结果表明有效地提高了NMOS管击穿电压。实验结果表明采用这种结构能使低压CMOS工艺输出功率管耐压提高到电源电压的2．5倍,样管在5V栅压下输出的电流可达到750mA。作为开关管工作,对于1000pF容性负载,其工作电流在550mA时,工作频率可达500KHz。     

功耗电流小于200nA的Al栅CMOSIDD失效分析

针对ＣＭＯＳ个别电路的静态功耗电流ＩＤＤ功率老化失效问题，根据ＣＭＯＳ的设计结构和工艺特点，本文从静电和栓锁的角度提出了几种失效模型并分析了ＩＤＤ几种失效机理。     

硅基HgCdTe光伏器件的暗电流特性分析

对硅基HgCdTe中波器件进行了变温电流电压特性的测试和分析。测量温度从30K到240K，得到R0对数与温度的1000／T的实验曲线及拟合结果。同时选取60K、80K及110K下动态阻抗尺与电压V的曲线进行拟合分析。研究表明在我们器件工作的温度点80K，零偏压附近主要的电流机制是产生复合电流和陷阱辅助隧穿电流。要提高器件的水平，必须降低陷阱辅助隧穿电流和产生复合电流对暗电流的贡献。     

硅基HgCdTe光伏器件的暗电流特性分析

对硅基HgCdTe中波器件进行了变温电流电压特性的测试和分析.测量温度从30K到240K,得到R0对数与温度的1000/T的实验曲线及拟合结果.同时选取60K、80K及110K下动态阻抗R与电压V的曲线进行拟合分析.研究表明在我们器件工作的温度点80K,零偏压附近主要的电流机制是产生复合电流和陷阱辅助隧穿电流.要提高器件的水平,必须降低陷阱辅助隧穿电流和产生复合电流对暗电流的贡献.     

硅基HgCdTe光伏器件的暗电流特性分析

对硅基HgCdTe中波器件进行了变温电流电压特性的测试和分析。测量温度从30K到240K，得到R0对数与温度的1000／T的实验曲线及拟合结果。同时选取60K、80K及110K下动态阻抗R与电压V的曲线进行拟合分析。研究表明在我们器件工作的温度点80K，零偏压附近主要的电流机制是产生复合电流和陷阱辅助隧穿电流。要提高器件的水平，必须降低陷阱辅助隧穿电流和产生复合电流对暗电流的贡献。