鐘金祥　吳正云　洪榮墩

【摘要】 紫外波段的光探測(cè)器具有廣闊的應(yīng)用前景，本文結(jié)合傳統(tǒng)的吸收-倍增-分離（SAM）和PIN結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新結(jié)構(gòu)（APIN）的4H-SiC紫外光電探測(cè)器，模擬了其光電特性，并與傳統(tǒng)的SAM和PIN結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明其在雪崩狀態(tài)下具有類似于SAM 結(jié)構(gòu)的雪崩光電探測(cè)器（APD）的特性，在低反向偏壓下具有類似于PIN光電探測(cè)器的特性，為實(shí)際器件的制備提供參考。

【關(guān)鍵詞】 4H-SiC 紫外光電探測(cè)器 SAM PIN

紫外光電探測(cè)器在導(dǎo)彈預(yù)警、環(huán)境監(jiān)測(cè)、火災(zāi)檢測(cè)等方面擁有廣泛的應(yīng)用，成為近年來(lái)光電探測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。4H-SiC材料具有禁帶寬度大、飽和電子漂移速度快、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高等眾多優(yōu)點(diǎn)，使其成為制備紫外光電探測(cè)器的理想材料。4H-SiC紫外光電探測(cè)器具有低漏電流、高的量子效率、抗輻射和耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。目前4H-SiC紫外光電探測(cè)器一般有四種結(jié)構(gòu)：金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）結(jié)構(gòu)、肖特基勢(shì)壘結(jié)構(gòu)、PIN光電二極管結(jié)構(gòu)、以及雪崩光電二極管（APD）結(jié)構(gòu)。雪崩光電二極管（APD）具有靈敏度高、響應(yīng)速度快和響應(yīng)帶寬大等優(yōu)點(diǎn)，一直受到人們的廣泛關(guān)注，其主要應(yīng)用于微弱信號(hào)和單光子探測(cè)。PIN結(jié)構(gòu)在低工作電壓下，具有較快的響應(yīng)速度、較高探測(cè)率和較低的噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)微弱信號(hào)響應(yīng)度低。

本文基于傳統(tǒng)的PIN結(jié)構(gòu)[1]和吸收-倍增-分離（SAM）結(jié)構(gòu)[2]的4H-SiC紫外光電探測(cè)器，設(shè)計(jì)了一種新結(jié)構(gòu)的4H-SiC紫外光電探測(cè)器，并將其命名為APIN。應(yīng)用ATLAS半導(dǎo)體模擬軟件，對(duì)其的光電特性進(jìn)行了模擬，并加以分析。器件的結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，在20μm寬的N+襯底上面有一層1μm厚的N?層，在N?層上面的中間是厚度為0.5μm、寬度為4μm的N層，在N層上面和兩側(cè)覆蓋了一層厚度為0.15μm的P+層。P+、N、N?和N+層的摻雜濃度分別為2.0×1019cm-3， 5.0×1017cm-3， 3.0×1015cm-3和2.0×1019cm-3。在模擬過(guò)程中，光照是垂直入射到器件表面上并均勻照射在器件表面上。同時(shí)，對(duì)傳統(tǒng)的SAM結(jié)構(gòu)和PIN結(jié)構(gòu)的4H-SiC光電探測(cè)器也做了模擬，以作對(duì)比分析，結(jié)構(gòu)如圖1（b），（c）。SAM結(jié)構(gòu)中P+、N和 N?的厚度分別為0.15μm、0.4μm、和1μm；PIN結(jié)構(gòu)中P+和N?的厚度分別為0.15μm和1μm。SAM結(jié)構(gòu)以及PIN結(jié)構(gòu)中的各層的摻雜濃度與APIN結(jié)構(gòu)的相同。

圖2給出了4H-SiC APIN、SAM和PIN結(jié)構(gòu)的暗電流與反向偏壓的關(guān)系。從圖中可以看出，APIN的暗電流比SAM APD的低，而比PIN結(jié)構(gòu)的高。摻雜濃度越高，器件的暗電流越大，相比PIN結(jié)構(gòu)，APIN結(jié)構(gòu)和SAM結(jié)構(gòu)多了一層摻雜濃度較高的N層，所以它們的暗電流比PIN結(jié)構(gòu)的要大一些，而APIN結(jié)構(gòu)中的N層寬度是SAM結(jié)構(gòu)的1/5，所以APIN結(jié)構(gòu)的暗電流比SAM結(jié)構(gòu)的小。同時(shí)，從圖中可以看出，APIN結(jié)構(gòu)和SAM結(jié)構(gòu)的擊穿電壓（分別是88V和117V）遠(yuǎn)小于PIN結(jié)構(gòu)的擊穿電壓（245V），這是由于摻雜濃度較高的N層的引入，而摻雜濃度越高，擊穿電壓越低，使得APIN結(jié)構(gòu)和SAM結(jié)構(gòu)可以在較低的電壓下觸發(fā)雪崩效應(yīng)。APIN結(jié)構(gòu)的擊穿電壓比SAM結(jié)構(gòu)的小，則是由N層厚度不一樣引起的，APIN結(jié)構(gòu)中N層厚度為0.5μm，而SAM結(jié)構(gòu)中N層厚度為0.4μm，比APIN結(jié)構(gòu)的小0.1μm。

圖3所示是4H-SiC APIN在不同的反向偏壓下的光譜響應(yīng)曲線。有圖可知，反向偏壓從0V增大到87V時(shí)，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)從270nm藍(lán)移到260nm。隨著反向偏壓的增大，器件的空間耗盡區(qū)變寬，在耗盡區(qū)吸收的光子數(shù)增加，使得耗盡區(qū)的光生載流子增多，并在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下分別向器件的兩個(gè)電極移動(dòng)，形成光電流，響應(yīng)度隨之增大。紫外可見(jiàn)比表征了紫外探測(cè)器對(duì)可見(jiàn)光的抑制程度，其值越大越好。在反向偏壓為88.36V時(shí)，4H-SiC APIN的紫外可見(jiàn)比仍可達(dá)到5.3×102，這表明在高的反向偏壓下，器件對(duì)可見(jiàn)光仍有較好的抑制能力，即對(duì)紫外光有較好的探測(cè)性能。

圖4所示是4H-SiC APIN、SAM和PIN結(jié)構(gòu)在（a）雪崩狀態(tài)（暗電流為1×10-10A/μm時(shí)對(duì)應(yīng)的偏壓）和（b）5V反向偏壓下的相對(duì)光譜響應(yīng)曲線。從圖4（a）中可以看出，在雪崩狀態(tài)下，三種結(jié)構(gòu)的器件的響應(yīng)度都差不多，但根據(jù)圖2，APIN具有更低的雪崩擊穿電壓，特別是跟PIN探測(cè)器相比。此外相比SAM APD，APIN的響應(yīng)峰值向短波方向移動(dòng)（藍(lán)移），同時(shí)在短波的響應(yīng)度更高，更加有利于紫外波段的光探測(cè)。APIN作為APD使用時(shí)，其具有較小的倍增區(qū)域和較大的吸收區(qū)域，在實(shí)際制備器件中，出現(xiàn)由于材料缺陷引起的提前擊穿的幾率會(huì)小很多，同時(shí)又可以增大光敏面積，提高探測(cè)率。從圖4（b）中可以看出，APIN結(jié)構(gòu)的響應(yīng)度PIN結(jié)構(gòu)的非常相似，只是值稍低一些。這是由于APIN結(jié)構(gòu)中間的N層寬度是4μm，N層兩側(cè)共有16μm寬的區(qū)域則是PIN結(jié)構(gòu)，所以在低偏壓下，其光譜響應(yīng)度與傳統(tǒng)的PIN結(jié)構(gòu)非常相似。同時(shí)從圖3中可以看出，APIN在低反向偏壓下的光譜響應(yīng)曲線基本重疊在一起，即沒(méi)有內(nèi)部增益。

本文結(jié)合傳統(tǒng)的SAM結(jié)構(gòu)和PIN結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新結(jié)構(gòu)（APIN）的4H-SiC紫外光電探測(cè)器，并應(yīng)用ATLAS半導(dǎo)體模擬軟件它的反向I-V特性和光譜響應(yīng)特性，并與傳統(tǒng)的SAM結(jié)構(gòu)和PIN進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，APIN作為APD使用時(shí)，其具有較小的倍增區(qū)域和較大的吸收區(qū)域，在實(shí)際制備器件中，出現(xiàn)由于材料缺陷引起的提前擊穿的幾率會(huì)小很多，同時(shí)又可以增大光敏面積，提高探測(cè)率。相比傳統(tǒng)的SAM APD，APIN的響應(yīng)峰值想短波方向移動(dòng)（藍(lán)移），同時(shí)在短波的響應(yīng)度更高，更加有利于紫外波段的光探測(cè)。此外，在低反向偏壓下，其具有類似傳統(tǒng)PIN結(jié)構(gòu)的特性，有較高的響應(yīng)度，且沒(méi)有內(nèi)部增益。以上結(jié)果表明，APIN結(jié)構(gòu)的4H-SiC紫外光電探測(cè)器具有較好的性能，可供制備實(shí)際器件作參考。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]Xiaping Chen， Huili Zhu et al. High-performance 4H-SiC-based ultraviolet p-i-n photodetector[J]， J. Appl. Phys. 102， 024505 （2007）

[2]Feng Yan a， Jian H. Zhao， et al. Demonstration of the first 4H-SiC avalanche photodiodes [J]， Solid-State Electronics 44 （2000） 341-346