劉 麗，何志偉

（商丘工學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，河南 商丘 476000）

SiC SAM APD紫外探測(cè)器的模擬研究

劉 麗，何志偉

（商丘工學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，河南 商丘 476000）

文中基于多種理論模型構(gòu)建了4H-SiC SAM APD結(jié)構(gòu)紫外光電探測(cè)器的基本物理模型。模擬研究了包括反向伏安特性、離化率、光譜響應(yīng)在內(nèi)的光電效應(yīng)特性，并通過(guò)改變SAM結(jié)構(gòu)各層厚度，得到了厚度與擊穿電壓、光譜響應(yīng)的關(guān)系，從結(jié)果可以看出：減小P+層厚度、增大N、N+層厚度可有效增大光電流，提高探測(cè)器性能。

紫外探測(cè)器；4H-SiC；SAM APD；模擬研究；光譜響應(yīng)

紫外線輻射是一種存在于自然界非肉眼可見(jiàn)的輻射，具有特殊的傳輸性，可用于眾多方向的研究，因此催生了紫外探測(cè)器這一軍民兩用的光電探測(cè)技術(shù)。目前，紫外探測(cè)器已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)工程、石油和礦物開(kāi)采、雷達(dá)和通信、車(chē)輛運(yùn)輸、航天航空以及核能設(shè)備等各個(gè)方面[1-4]，其已成為人們身邊不可或缺的技術(shù)。

紫外探測(cè)器主要有以下3個(gè)關(guān)鍵的特點(diǎn)[5]：1）紫外探測(cè)器無(wú)需在低溫下工作，其在室溫下依舊可正常工作，實(shí)現(xiàn)探測(cè)功能；2）紫外探測(cè)器對(duì)可見(jiàn)光和紅外光是“日盲”，極好的防止其他光線的不利干擾，具有良好的準(zhǔn)確性；3）紫外探測(cè)器擁有架構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度較快、穩(wěn)定性高等一系列優(yōu)勢(shì)。對(duì)于諸多新興產(chǎn)業(yè)，迫切地需要能夠快速檢測(cè)微小信號(hào)的探測(cè)器，在這種環(huán)境下，紫外雪崩光電探測(cè)器（APD）以其納秒量級(jí)的速度，百萬(wàn)倍的增益進(jìn)入了國(guó)際視野[6-7]?，F(xiàn)在僅有4H-SiC可基本滿(mǎn)足APD的要求，因此需要對(duì)4H-SiC APD進(jìn)行理論模擬研究，以指導(dǎo)4H-SiC APD的研發(fā)制造。

1 SAM APD光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)模型

對(duì)于4H-SiC材料而言，空穴注入倍增層可更好的抑制噪聲，又因?yàn)樾枰負(fù)诫s的倍增層使電場(chǎng)在該區(qū)域迅速降低。所以，感光層選取p+摻雜的半導(dǎo)體。n型摻雜半導(dǎo)體區(qū)域與p+型摻雜區(qū)域共同構(gòu)成倍增層，在倍增層下部是光子吸收層。要實(shí)現(xiàn)同質(zhì)結(jié)SAM APD結(jié)構(gòu)必須使吸收層足夠?qū)捛覔诫s濃度要低，保證正常工作時(shí)光子主要在吸收層被吸收，同時(shí)吸收層可以全耗盡作為空間電荷區(qū)的主要部分。于是，文中選取n-型摻雜半導(dǎo)體制作探測(cè)器的吸收層，最后n+層襯底制成歐姆接觸，降低接觸電阻，使外加電壓集中在工作區(qū)域。綜上所述，SAM APD紫外光電探測(cè)器的基礎(chǔ)模型結(jié)構(gòu)[8]如圖1所示。

圖1 SAM APD基礎(chǔ)模型結(jié)構(gòu)

文中采用Fortran95語(yǔ)言對(duì)器件模型進(jìn)行仿真模擬。在實(shí)際模擬時(shí)，通過(guò)對(duì)比選取的是初始濃度為2×1018cm-3，厚度為 0.2 μm 的 p+層；濃度為 5×1017cm-3，厚度為 0.4 μm 的 n層；濃度為 1015cm-3，厚度為1 μm的n-層；濃度為1020cm-3，厚度為400 μm的n+層。

2 SAM APD光電探測(cè)器物理模型

漂移-擴(kuò)散模型[9]是分析SAM APD結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)模型，亦是載流子輸運(yùn)的核心理論依據(jù)。對(duì)于光照條件下的器件，只考慮基礎(chǔ)的漂移-擴(kuò)散模型是不夠的，需考慮光生載流子的影響。光生載流子是光電探測(cè)器的關(guān)鍵，而載流子的遷移率則極大程度影響了載流子的輸運(yùn)，在分析理想條件下的簡(jiǎn)單問(wèn)題時(shí)，通常將載流子的遷移率看作常數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，這樣計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)際情況相比，偏差較大，所以就需要引入遷移率模型[10-11]，增強(qiáng)計(jì)算模擬的準(zhǔn)確度。帶正電的空穴遇到帶負(fù)電的電子，共同結(jié)合成不帶電的系統(tǒng)，通常將該種非平衡載流子的消亡過(guò)程稱(chēng)為載流子的復(fù)合，文中只考慮兩種主要的復(fù)合模型：俄歇復(fù)合和SRH復(fù)合。SiC中的雜質(zhì)電離能比較高，不易充分地全部電離，載流子可能發(fā)生“凍析”效應(yīng)，有必要考慮不完全電離模型。當(dāng)雪崩倍增區(qū)的電場(chǎng)超過(guò)一定值時(shí)，載流子出現(xiàn)雪崩倍增，此時(shí)需考慮雪崩倍增模型[12-13]。

3 SAMAPD光電探測(cè)器模擬結(jié)果分析

3.1 暗電流及反向伏安特性

在模擬過(guò)程中，通過(guò)設(shè)定一定的入射光強(qiáng)（10-10J）和波長(zhǎng)范圍（200～380nm），以外加反向偏壓為自變量得到光電流的電壓-電流關(guān)系，作出相應(yīng)的I-V曲線，即反向伏安特性曲線，如圖2所示。圖3可更清楚地看到擊穿電壓附近電流的變化。

圖2 反向伏安特性

圖3 SAM APD擊穿電壓附近的反向伏安特性曲線

通過(guò)圖2和圖3可看出，當(dāng)外加反向偏壓小于器件的擊穿電壓，光電流值較小，且變化不明顯；當(dāng)外加偏壓達(dá)到擊穿電壓時(shí)，光電流出現(xiàn)一個(gè)劇增現(xiàn)象，迅速達(dá)到一個(gè)比較大的值。在沒(méi)有入射光的情況下向器件外加反向偏壓，得到器件暗電流。器件發(fā)生雪崩倍增之前的光電流、暗電流對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外加電壓增大，暗電流和光電流均隨之增大。同時(shí)，光電流明顯大于暗電流，表示器件能實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的光探測(cè)功能[14]。

表1 光電流與暗電流對(duì)比數(shù)據(jù)

3.2 光譜響應(yīng)

當(dāng)入射紫外光的能量大于4H-SiC禁帶寬度3.26 eV時(shí)，入射光子大部分會(huì)在吸收區(qū)被吸收產(chǎn)生光生載流子，之后在倍增區(qū)獲得增益放大，最后在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，載流子定向運(yùn)動(dòng)以光電流的形式輸出。在模擬仿真過(guò)程中，在200～380nm的波段，給予器件不同大小的反向偏壓，得到光譜響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 光譜響應(yīng)曲線

從圖4中可以看出，隨著電壓的升高，光電流增大，當(dāng)反向偏壓達(dá)到擊穿電壓值時(shí)，光電流劇增，雪崩倍增前后光電流峰值從10-11A可增加到10-6A，增益達(dá)到105量級(jí)。不同電壓下的峰值電流仿真數(shù)據(jù)結(jié)果，如表2所示。在波長(zhǎng)約為260nm的位置處出現(xiàn)了一個(gè)吸收峰值，這是因4H-SiC吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的增大而減小。當(dāng)波長(zhǎng)小于260nm時(shí)，半導(dǎo)體的吸收系數(shù)會(huì)較大，吸收深度較淺，這樣會(huì)使得入射光子在表面被大量吸收，無(wú)法進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)部的轉(zhuǎn)化成光生載流子，使光電轉(zhuǎn)換效率大幅降低，光電流減?。划?dāng)波長(zhǎng)大于260nm時(shí)，又因吸收系數(shù)小，吸收深度過(guò)大，空間電荷區(qū)不足以完全吸收入射光子，故光電流會(huì)隨波長(zhǎng)的增大而減小[15]。

表2 電壓與峰值電流關(guān)系

3.3 離化率

SAM APD結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)探測(cè)器最大的不同就在于器件內(nèi)部可產(chǎn)生較高的增益，且倍增層與吸收層分離。離化率是衡量雪崩倍增效應(yīng)的重要指標(biāo)，其與電場(chǎng)強(qiáng)度聯(lián)系緊密。圖5和圖6分別顯示了吸收層與倍增層的空穴離化率變化趨勢(shì)，電子離化率變化與其類(lèi)似只是數(shù)值較小。

圖5 吸收區(qū)空穴離化率

其中，為了和吸收系數(shù)α區(qū)分，縱坐標(biāo)zp用來(lái)表示空穴電離率，橫坐標(biāo)為器件耗盡區(qū)的各點(diǎn)位置，每一條曲線對(duì)應(yīng)一個(gè)電壓值，兩幅圖選取相同電壓。明顯可以看到，電離率隨電壓的增大而增大；隨著位置逐漸靠近倍增區(qū)，電離率的值越來(lái)越大且變化率也逐漸增大。在吸收層，電離率接近于0；在倍增層，電離率極速增大，當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)發(fā)生雪崩倍增。

圖6 倍增區(qū)空穴電離率

3.4 SAM APD各層厚度對(duì)光電效應(yīng)的影響

為了實(shí)現(xiàn)同質(zhì)結(jié)SAM APD結(jié)構(gòu)，每一層的厚度均有嚴(yán)格要求。倍增層過(guò)厚會(huì)吸收過(guò)多的光子從而削弱了吸收層作用，吸收層的厚度不當(dāng)也會(huì)影響探測(cè)器的各方面性能。在此首先研究當(dāng)各層寬度改變，雪崩擊穿電壓VBR的變化趨勢(shì)。通過(guò)模擬編譯得到如表3所示結(jié)果。

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)可得出：1）P+層厚度增加，擊穿電壓基本不變，主要是因P+層是重?fù)诫s，空間電荷區(qū)在該區(qū)所占比例較少，所以P+層的厚度變化對(duì)整體空間電荷區(qū)影響較小，也就對(duì)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)影響不大，擊穿電壓與空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)緊密相關(guān)。所以，P+層厚度的變化對(duì)擊穿電壓影響并不明顯；2）N層厚度增加，擊穿電壓減小，計(jì)算得到的空間電荷區(qū)電場(chǎng)分布如圖7所示（圖7中，xp是P+層空間電荷區(qū)寬度，dn、dn1分別是N層N-層厚度），這是因摻雜濃度的量級(jí)差別，倍增層電場(chǎng)下降較快，而吸收層下降速度較慢，若N層厚度增加（dn坐標(biāo)向右移動(dòng)），則在同樣的條件下，電場(chǎng)會(huì)下降到更低的位置（濃度與斜率均不變）才進(jìn)入吸收層，電場(chǎng)和位置坐標(biāo)圍成的面積表示電壓，若N層厚度增加，則整個(gè)圖形所圍成的面積將減小，為了保證電壓不變，電場(chǎng)峰值就需要增大，相應(yīng)地?fù)舸╇妷簩?huì)隨之減??；3）N-層厚度增加，擊穿電壓增大，N-層作為吸收層，在器件正常工作過(guò)程中處于全耗盡狀態(tài)，其的厚度是空間電荷區(qū)的主體部分。空間電荷區(qū)增大，電壓一定的條件下，電場(chǎng)峰值降低，所以擊穿電壓升高。

表3 SAM結(jié)構(gòu)各層厚度對(duì)擊穿電壓的影響

圖7 空間電荷區(qū)電場(chǎng)分布

3.5 厚度對(duì)光譜響應(yīng)的影響

光譜響應(yīng)曲線能最直觀地表現(xiàn)探測(cè)器的光電響應(yīng)性能。SAM結(jié)構(gòu)各層厚度的改變勢(shì)將改變器件的光譜響應(yīng)，分別模擬改變各層厚度對(duì)器件的影響，如圖8至圖10所示。

具體分析每層產(chǎn)生的影響及其原因：1）P+層的厚度增大，光電流減小，主要原因是P+層是非耗盡層，在該層被吸收的光子即使轉(zhuǎn)換成光生載流子，大多數(shù)在到達(dá)空間電荷區(qū)之前便會(huì)被復(fù)合掉，所以不能參與形成光電流，當(dāng)P+層厚度增加，意味著更多的入射光子將會(huì)在P+層被吸收，隨后產(chǎn)生的光生載流子被復(fù)合掉，使光電流減?。?）N層的厚度增大，光電流也增大，從電場(chǎng)分布中可看出，外加電壓幾乎全部施加在N層上，使得N層電場(chǎng)強(qiáng)度較大。所以，N層是倍增層，載流子在該層發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，該層厚度增加就意味著發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)的區(qū)域增大，自然增大了光電流的值；3）N-層的厚度增大，光電流也增大，N-層是吸收層，正常情況下處于全耗盡狀態(tài)，是光子轉(zhuǎn)化成電子的有效區(qū)域，該層厚度增加，可使器件吸收更多的入射光子，產(chǎn)生更多的光生載流子，從而有效的輸出光電流。此外，伴隨輸出光電流的增大，光譜響應(yīng)峰值位置向長(zhǎng)波方向移動(dòng)[16-17]。

圖8 改變P+層厚度的光譜響應(yīng)族

圖9 改變N層厚度的光譜響應(yīng)族

圖10 改變N-層厚度的光譜響應(yīng)族

綜上所述，可得到：減小P+層厚度、增大N、N-層厚度能提高量子效率和響應(yīng)度，增大光電流，有效提高SAM APD結(jié)構(gòu)紫外光電探測(cè)器性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

4H-SiC因其良好的電學(xué)、光學(xué)性能已被認(rèn)為是最適宜制作紫外光電探測(cè)器的半導(dǎo)體材料之一。文中根據(jù)探測(cè)器性能要求搭建了SAM APD結(jié)構(gòu)模型，考慮了漂移-擴(kuò)散模型、雪崩光伏特性、遷移率模型、復(fù)合模型、不完全離化模型和倍增因子模型，用fortran語(yǔ)言編寫(xiě)了SAM APD結(jié)構(gòu)特性，在這些因素的共同影響下進(jìn)行了模擬研究。分別討論了紫外探測(cè)器的反向伏安特性、離化率、光譜響應(yīng)的特性，得到了合理的結(jié)果。又進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，改變SAM結(jié)構(gòu)中各層的厚度，研究了P+、N、N-各層厚度對(duì)器件擊穿電壓和光譜響應(yīng)的影響，得出了每一層厚度與光電流的關(guān)系。最終結(jié)果顯示減小P+層厚度、增大N、N+層厚度可有效增大光電流，提高探測(cè)器性能。對(duì)今后的SAM APD紫外探測(cè)器的研究有重要意義。

[1]HaoYue， Peng Jun， Yang Yintang.Wide Bandgap Semiconductor Technology ofSiC[M].Beijing:Science Press，2000.

[2]Leimeng Sun， Xinghui Wang， Kang Zhang， et al.Bi-functionalelectrode forUV detectorand supercapacitor[J].NanoEnergy， 2015（15）:445-452.

[3]Abbas M.Selman，Z.Hassan.Growth and characterization ofrutile TiO2nanorodson various substrates with fabricated fast-response metalsemiconductor-metal UV detector based on Si substrate [J].Superlattices and Microstructures，2015（83）:549-564.

[4]Guohua Liu， Min Zhang， Dezhong Zhang， et al.Ultrahigh responsivity UV detector based on TiO2/Pt-doped TiO2multilayer nanofilms [J].Journal of Alloys and Compounds，2014（616）:155-158.

[5]E.Monroy， F.Omnes， F.Calle.Wide-bandgap semiconductor ultraviolet photodetectors[J].Semicond.Sci.Technol.，2003（18）:33-51.

[6]楊偉鋒，蔡加法，張峰，等.一維陣列MSM 4H-SiC紫外光電探測(cè)器的研制[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2008，29（3）:570-573.

[7]蔡加法，吳正云.4H-SiC基紫外光電探測(cè)器的研究進(jìn)展[J].量子電子學(xué)報(bào)，2014，31（4）:489-501.

[8]郭浩.4H-SiC SAM-APD結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器的研究[D].西安:西安電子科技大學(xué)，2009.

[9]ISE TCAD Release 10.0 User’s Manual.

[10]S.G.Muller，R.C.Glass， H.M.Hobgood，et al.Progress in the industrial production of SiC substrates for semiconductor devices [J].Mater，Sci.Eng.， 2001，80:327-330.

[11]M.Razeghi.Short-wavelength solar blind detectorsstatus， prospects， and markets[C]//Proc.IEEE.2002，60（2）:1006-1014.

[12]Hassan Hamad，Christophe Raynaud，Pascal Bevilancqua，et al.Temperature dependence of 4HSiC ionization rates using Optical Beam Induced Current[J].2015：821-823，227.

[13]鐘林瑛.吸收層與倍增層分離結(jié)構(gòu)的4H-SiC雪崩光電探測(cè)器的優(yōu)化模擬[D].廈門(mén):廈門(mén)大學(xué)，2011.

[14]Xiaping Chen， Weifeng Yang， Zhengyun Wu.Visible blind p-i-n ultraviolet photodetector fabricated on 4H-SiC [J].Microelectronic Engineering，2006（83）:104-106.

[15]王麗玉，謝家純，胡林輝，等.碳化硅紫外探測(cè)器的研究[J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，33（6）:683-687.

[16]張子川，韓和同，管興胤，等.基于反射濾光方法的氟化鋇快響應(yīng)γ射線探測(cè)技術(shù)[J].現(xiàn)代應(yīng)用物理，2013（3）：225-231.

[17]范超.基于信息論準(zhǔn)則的高光譜波段選擇方法[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（1）：149-152，155.

Simulation study of SiC SAM APD ultraviolet detector

LIU Li，HE Zhi-wei
（Basic Teaching Department，Shangqiu Institute of Technology，Shangqiu 476000， China）

The paper constructs a basic physical model of the 4H-SiC SAM APD structure ultraviolet photodetector based on a variety of theoretical models.Simulation study including some photoelectric effect characteristics such as bias I-V characteristic，ionization rate and spectral response.The relationship between the thickness with the breakdown voltage and the spectral response is obtained by changing the thickness of each layer of the SAM structure.Eventually，an important conclusion is obtained:Decreasing P+layer's thickness and increasing N and N+layer's thickness can effectively increase the photocurrent and enhance the performance of the detector.

UV detector；4H-SiC；SAM APD；simulation study；spectral response

TN99

：A

：1674－6236（2017）15-0026-05

2016-08-10稿件編號(hào)：201608076

2015年河南省教育技術(shù)裝備和實(shí)踐教育研究立項(xiàng)課題（GZS134）

劉 麗（1981—），女，河南商丘人，碩士研究生，講師。研究方向：激光物理，半導(dǎo)體物理與器件。