Design, simulation and fabrication of ambient light detector

本研究中，我們建立了類人眼偵測器的模擬程式，並對矽基元件與 AlGaAs 元件進行設計與分析，研究其光頻譜反應達到類人眼反應的可能性。我們發現由於矽材料的截止波長過長，元件的反應頻譜在紅外線的部分難以消除，需要使用額外的偵測元件與信號處理來去除紅外線的效應。然而由於 AlGaAs 材料的截止波長可以調整，我們除了完成 AlGaAs 元件結構的設計最佳化與模擬之外，並以分子束磊晶法及半導體製程進行元件結構的成長與實作。成功完成的元件其頻譜反應特性，極為接近國際照明學會制訂標準人眼 photopic 反應函數。In this thesis, we firstly investigate the feasibility of designing ambient light detectors based on Si and AlGaAs semiconductor through a self-developed device simulator. It is found that the difference between the cutoff wavelength of silicon and the peak wavelength of human eye’s response is too large to eliminate the infrared light detection in Si-based devices, which needs extra detectors and/or signal processing for correction otherwise may result in error response. On the other hand, the cutoff wavelength of AlGaAs can be tailored to fit the response edge of human eye’s response. Besides the design and simulation works on AlGaAs detectors, we also grew device structures with different AlGaAs by molecular beam epitaxy and fabricated the detectors successfully. The best response is very close to the CIE standard photopic luminous function.中文摘要.............................................. Ⅰ Abstract................................................ Ⅱ 目錄 ………………………………………………Ⅲ 附表索引 …………………………………………………….…... Ⅴ 附圖索引……………………………………...…………………… Ⅵ 第一章 介紹…………………………...…………………………….1 1.1 類人眼光偵測器的優點與作法…………………………………….1 1.2 人眼反應頻譜特性………………………………………………….4 1.3 論文概要…………………………………………………………….5 第二章 理論推導……………………………………………….15 2.1反射率之推導…….……………………………………………….15 2.2不同材料光偵測器量子效率的推導..…………….…………..……18 2.2.1矽元件的量子效率……………………………………………18 2.2.2 砷化鋁鎵元件的量子效率……………………………...…….21 第三章 模擬結果與討論…................................………………28 3.1 矽類人眼偵測器…………………………………...………………28 3.2 砷化鋁鎵類人眼偵測器…………………….…………….……30 第四章砷化鋁鎵類人眼偵測器的實作……………………46 4.1 偵測器結構的成長……………………………………………… ..46 4.2 偵測器製程………………………………………………………...47 4.3 量測系統設置………………………………………………...……50 4.3.1 電壓電流量測……………………………………….………….50 4.3.2 反應度量測……………………………………………………..50 第五章 實驗結果與討論………………………………………59 5.1 Al0.3Ga0.7As 光偵測器的量測結果與特性…………….…………..59 5.2 Al0.53Ga0.47As 光偵測器的量測結果與特性………………………60 5.3 Al0.73Ga0.27As 光偵測器的量測結果與特性………………………61 5.4 摘要………………………………………………………………...62 第六章 結論…………………………………………………..……70 參考文獻 …………………………………………………….……...71 附表索引 表 1.1 現有類人眼光偵測器的產品規格比較…………...……………7 表 4.1 R2351 光偵測器結構…………………………………….……52 表 4.2 R2352 光偵測器結構………………………………………….53 表 4.3 R2353 光偵測器結構…………………………...……………..54 附圖索引 圖1.1蘋果電腦的筆記型電腦…..………………………………….….. 8 圖1.2 (a) Agilent 的類人眼光偵測器，(b) Agilent 類人眼光偵測器與人眼和傳統矽光偵測器頻譜比較…………..……...……….…9 圖1.3 (a) OSRAM 的類人眼光偵測器，(b) OSRAM 類人眼光偵測器與人眼和傳統矽光偵測器頻譜比較………….……...………...10 圖1.4 (a) TAOS 的類人眼光偵測器，(b) TAOS 類人眼光偵測器是利用 Channel 0 & 1 這兩個光偵測器去做數值運算得到的…....11 圖1.5 (a) Microsemi 的類人眼光偵測器，(b) Microsemi 類人眼光偵測器與人眼的頻譜比較………………………………….….….12 圖1.6類人眼光偵測器和傳統矽光偵測器，對於不同光源在相同亮度下得到的光電流…………………………………………...…....13 圖1.7 CIE 所制訂的標準 Photopic 與 Scotopic luminous function....14 圖 2.1 (a)光入射光偵測器的示意圖。(b)對應圖2.1(a) 光線傳輸路徑 的示意圖………………………………………………………..25 圖2.2 Si 類人眼偵測器元件結構設計圖……...…..…….…………….26 圖 2.3 AlGaAs 類人眼偵測器元件結構設計圖….………...................27 圖3.1 Si 類人眼偵測器元件結構設計示意圖……...…………………33 圖3.2在第一偵測器加第二偵測器的厚度固定下，第一偵測器厚度對 量子效率頻譜之影響………………………………...……..34 圖3.3 當第一偵測器厚度固定時，第一偵測器加第二偵測器的厚度對 量子效率的影響。…………………..…………………………...35 圖3.4量子效率峰值調整為 555 nm 的第二偵測器半寬對第一偵測器 厚度的關係圖……………………………………………….…...36 圖 3.5 量子效率峰值調整為 555 nm 的第二偵測器，不同的第一偵測器厚度對應的量子效率頻譜………………………………….37 圖3.6典型的第二偵測器的量子效率頻譜.…………….….………….38 圖3.7 加上 SiO2層的典型第二偵測器量子效率頻譜……..…..…….39 圖3.8 AlGaAs 類人眼偵測器元件結構設計圖……………………….40 圖3.9 Al0.53Ga0.47As 在固定厚度下，GaAs 厚度對量子效率頻譜的影 響……………………………………………….………..…….41 圖3.10當 GaAs 厚度固定時，Al0.53Ga0.47As 厚度對量子效率頻譜的影響…………………………………………….………….42 圖3.11量子效率峰值調整為 555 nm的半寬對 GaAs 厚度的關係 圖…………………………………………………….…….43 圖3.12適合製程的偵測器的量子效率頻譜…..……………….……44 圖3.13加上 SiO2 層後適合製程的偵測器的量子效率頻譜…..…45 圖 4.1 製程流程示意圖……………………………………….....55 圖 4.2 Xe lamp 之放光強度頻譜………………..…………………56 圖 4.3 量測反應度頻譜儀器架設圖……………………………….57 圖 4.4 標準 Si 偵測器反應度頻譜………………….…………….58 圖 5.1 R2351 電流對電壓圖……………………………………….63 圖 5.2 R2351 反應度頻譜………………………………………….64 圖 5.3 R2352 電流對電壓圖……………………………………….65 圖 5.4 R2352 反應度頻譜………………………………………….66 圖 5.5 蝕刻後的 R2352 類人眼偵測器量子效率頻譜…………..67 圖 5.6 R2353 電流對電壓圖……………………………………….68 圖 5.7 R2353 反應度頻譜……………………………………………6