短波碲镉汞电子雪崩二极管的模拟仿真

张智超,闻 娟

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

碲镉汞材料是一种优异的红外半导体材料,具有随组分可调的禁带宽度。从20世纪70年代报道碲镉汞二级管具有雪崩增益特性以来,国外众多机构对碲镉汞的雪崩机理及制造工艺进行了大量深入研究。研究发现随碲镉汞材料截止波长的变化,碲镉汞雪崩二级管具有不同的雪崩机制:室温下,当碲镉汞材料的截至波长短于1.9 μm时,碲镉汞材料的能带间隙接近或等于自旋分裂能,空穴电离系数的共振增强使得空穴电离系数远大于电子电离系数；当碲镉汞材料的截至波长大于1.9 μm时,随着截至波长的增加,电子的有效质量降低导致电子电离系数迅速增加,而空穴电离系数的共振增强效应消失,并且随着截至波长的增加而减小,因此电子电离系数超过空穴电离系数。电子电离系数与空穴电离系数的差异使得碲镉汞雪崩二极管的过剩噪声因子接近1,使得碲镉汞雪崩二极管具有低噪声特性。国外已经研制出基于环孔结构[1]、PIN结构[2]和吸收倍增分离结构[3]的碲镉汞雪崩二极管高性能器件。由于碲镉汞雪崩二极管能够对接受信号进行放大输出,提高了系统信噪比,可用于光子计数、激光雷达、密码量子学和空间光通信等需要响应低弱信号的场景[1]。

碲镉汞雪崩二极管工作在高反向偏压下,器件的暗电流水平限制了器件的灵敏度和可用雪崩增益,因此改善暗电流特性是获得高性能碲镉汞雪崩二极管器件的关键。……