半导体GeSn材料由于其独特的材料特性引起广泛的研究,例如可通过调节Sn组分改变能带结构而显示出直接带隙的能力,高的电子和空穴迁移率,并且与传统Si工艺相兼容,这使得其成为制备与Si工艺兼容的光电子器件和高速CMOS集成电路的理想材料。对于GeSn光电探测器,可通过调节有源吸收层中Sn组分以扩展探测器响应谱的截断波长进入中红外波段,来实现吸收波长可调的GeSn光电探测器,探测范围包含近中红外所有波段。本文基于第一性原理,建立GeSn材料原胞。并基于GeSn原胞得到不同Sn组分下的GeSn材料能带结构修正模型。通过分析材料能带值、掺杂浓度等材料参数和不同工作温度,得到GeSn光电探测器参数随其变化的变化规律。并在此基础上设计了一种GeSn光电探测器结构,并对其进行仿真,仿真结果表明该结构具有高的量子效率、高的响应度、低的暗电流。论文主要研究成果如下:1、GeSn合金能带结构与光电特性基于第一性原理,创建不同Sn组分GeSn材料原胞。基于密度泛函理论平面波法计算不同Sn组分下GeSn二元材料能带结构,并根据GeSn合金的能带变化趋势对计算结果进行修正。基于Bloch波描述电子行为的半经典方法对吸收系数公式进行推导,得到吸收系数模型。计算得到半导体Ge材料的吸收系数,并研究不同温度下Ge材料吸收系数的变化规律。2、光电探测器性能研究分析GeSn材料带隙值、吸收系数、掺杂浓度等材料参数和不同工作温度对GeSn光电探测器性能的影响。研究结果表明,材料能带值越小,光电探测器暗电流越大;能带值的减小使得吸收光谱向长波方向移动,也就是能带的减小导致吸收系数增加;吸收系数决定了量子效率的大小,而量子效率又直接影响光电探测器的响应度大小;提高P区和N区的掺杂浓度将有效抑制暗电流大小;降低器件工作温度也可抑制暗电流,使得器件可正常工作;温度上升40K,暗电流将升高一个量级;光电流信号随着入射光功率增加而线性增加。建立二极管电流-电压公式修正模型,修正模型可表示暗室和光照条件下二极管伏安特性。基于GeSn合金的材料特性和光电探测器基本原理设计出高性能GeSn PIN光电探测器结构。3、GeSn光电探测器仿真与结果分析半导体材料的吸收系数决定光电探测器的量子效率。计算0%、2%、4%、6%、8%、10%Sn组分下半导体GeSn材料的直接带隙和间接带隙的带隙值,并根据GeSn吸收系数模型计算相应Sn组分下GeSn材料不同波长的吸收系数。使用TCAD sentaurus软件对所设计的高性能GeSn PIN光电探测器结构进行仿真,得到探测器量子效率、响应度、暗电流与光电流和频率响应等关键参数。仿真结果表明,GeSn光电探测器表现出很高的量子效率和响应度,低暗电流,也得到良好的频率响应。随着Sn组分的增加,量子效率随之增大,响应谱截断波长向长波方向扩展。当Sn组分为2%是,响应度为1.17A/W;当Sn组分大于6%,截断波长进入中红外波段;当Sn组分为10%时,响应谱截断波长为2.48μm,响应度峰值波长为2.3μm,对应响应度为1.6A/W。当Sn组分增加到10%,光电探测器暗电流上升两个量级。该论文对高性能光电探测器设计具有较大的指导意义,为GeSn光电探测器的实验提供重要的理论基础。