張濤，于永強(qiáng)

（合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽合肥，230601)

0 引言

近紅外光探測(cè)器在臨床診斷、治療設(shè)備等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，而隨著微納技術(shù)的發(fā)展，硅微孔陷光結(jié)構(gòu)對(duì)紅外響應(yīng)有突出的作用。相較于其他硅微納結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，例如硅納米線(xiàn)、硅槽等，硅微孔結(jié)構(gòu)有著更大的比表面積，從理論上可以吸收更強(qiáng)的光，而且其結(jié)構(gòu)成凹狀，能夠更有效的避免光的“逃脫”[1]。近些年石墨烯作為超薄二維層狀材料，因?yàn)槠渫黄屏说瓦w移率的瓶頸而在光電器件方面的應(yīng)用引起熱潮，硅襯底與石墨烯形成較大的接觸面積，這對(duì)于肖特基勢(shì)壘的形成起到至關(guān)重要[2]。本文利用Silvaco TCAD三維仿真設(shè)計(jì)出光譜可調(diào)的Si MHs/Gr肖特基二極管窄帶近紅外光探測(cè)器，將硅微孔陣列的低反射率、高吸收率和載流子傳輸路徑短等優(yōu)勢(shì)與二維材料石墨烯（Gr）相結(jié)合為高性能光電探測(cè)器的研究提供了新的思路[3-4]。

1 光電二極管仿真及制備

■1.1 光電二極管仿真

Silvaco TCAD是一款現(xiàn)今市面上為數(shù)不多能夠提供給芯片代工廠(chǎng)最完整解決方案的軟件，有著獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)點(diǎn)。Silvaco TCAD中的三維仿真工具能夠更清晰地模擬半導(dǎo)體器件中的電學(xué)、光學(xué)以及熱學(xué)行為，用以簡(jiǎn)單方便地分析半導(dǎo)體器件的直流、交流及時(shí)域響應(yīng)等信息等；Devedit 3D作為器件編輯器，可以通過(guò)點(diǎn)線(xiàn)面將器件的三維結(jié)構(gòu)生動(dòng)形象地展現(xiàn)出來(lái)；TCAD仿真組件都可以在集成環(huán)境Deckbuild中調(diào)用，輸出的結(jié)果通過(guò)TonyPlot 3D實(shí)時(shí)顯示出來(lái)[5]。

圖1 (a)是器件的三維結(jié)構(gòu)及其光場(chǎng)分布仿真圖，通過(guò)對(duì)光場(chǎng)分布進(jìn)行降維處理，截取其中一個(gè)面深入探究。光場(chǎng)分布與入射光的波長(zhǎng)息息相關(guān)，如圖1(b) 所示，模擬出入射光波長(zhǎng)為780nm、808nm、980nm、1064nm時(shí)，光探測(cè)器的光場(chǎng)分布。從圖中可以看出波長(zhǎng)光780nm、808nm時(shí)，光只能照射在器件頂部，當(dāng)波長(zhǎng)光為980nm時(shí)，光子能夠到達(dá)器件中部。而當(dāng)光探測(cè)器被1064 nm波長(zhǎng)的入射光照射時(shí)，光子能穿透器件到達(dá)底部。而且硅孔處的光子能量要強(qiáng)于平面部分。圖1(c)是器件的載流子產(chǎn)生率仿真結(jié)果，其中硅孔處的產(chǎn)生率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于平面硅部分。

圖1

■1.2 器件制備

基于Silvaco TCAD仿真結(jié)果，本文在硅襯底上刻蝕出硅微孔陣列，通過(guò)利用硅孔陷光結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化器件響應(yīng)性能。其中硅微孔陣列刻蝕工藝如下：

首先取出大小為1×1 cm2、厚度為500 μm、電阻率為1-10 Ω·m的N型輕摻硅片，依次在丙酮、酒精、去離子水中超聲清洗10 min；其次將硅片置于勻膠機(jī)上均勻滴上正性光刻膠（AZ-6210）以500rpm 低速旋轉(zhuǎn)10s，3000rpm高速旋轉(zhuǎn)30s，待勻膠完成后將其放入100°C的烘膠機(jī)上，烘5 min；然后將硅片放置在曝光機(jī)中曝光15s，并顯影11s完成光刻；最后利用ICP刻蝕工藝刻蝕出整齊排列的硅微孔陣列，將其放入正膠去膜劑中清洗5 min，完成硅孔陣列的制備[6-7]。

圖2(a)是硅孔的深寬比和SEM圖，可以看出硅孔刻蝕工藝十分完善，刻蝕出的硅孔圖形規(guī)整，排列均勻，沒(méi)有雜質(zhì)。圖2（b）是硅微孔陣列和平面硅的歸一化吸收光譜，從圖上發(fā)現(xiàn)硅對(duì)800nm到1000nm光波的吸收很強(qiáng)，而且硅微孔陣列比平面硅的吸收要強(qiáng)的多，與期望結(jié)果相同，證實(shí)了硅孔陷光結(jié)構(gòu)可以加強(qiáng)對(duì)近紅外光的吸收。為了進(jìn)一步探究硅孔對(duì)光吸收的影響，其器件制備如下：

圖2

石墨烯憑借高收集率、良好的導(dǎo)電性能等優(yōu)異的類(lèi)金屬性質(zhì)常作為電極的首選。且其跟硅襯底形成肖特基勢(shì)壘，本文將刻蝕后的硅片作為襯底，通過(guò)濕法轉(zhuǎn)移石墨烯完成底電極裝配，銦鎵共晶均勻涂在硅微孔陣列表面作為頂電極，完成器件制備[9-10]。然后在其上下表面分別裝配頂電極和底電極完成光電探測(cè)器的制備，器件制備流程如圖3所示。

圖3 器件制備流程

2 光電探測(cè)器的性能研究

當(dāng)光照射在Si/Gr SD器件表面時(shí)，硅會(huì)吸收掉一部分光子，而更多的光子被硅反射掉，這在光的吸收率以及載流子生成率上都造成了極大的浪費(fèi)。為了減少這部分的浪費(fèi)，本文在Si/Gr SD器件的基礎(chǔ)上，通過(guò)在硅表面刻蝕出整齊排列的圓孔，通過(guò)對(duì)硅表面進(jìn)行微納加工，制備出整齊的硅微孔排列，即陷光結(jié)構(gòu)。光照射在硅孔內(nèi)部，同樣會(huì)將光子反射出去，這時(shí)被反射的光子再次照射到硅孔內(nèi)壁的表面，形成二次照射，如此重復(fù)加大了對(duì)光子的收集，進(jìn)而增強(qiáng)光的吸收[9]。Si MHs/Gr SD窄帶近紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)如圖 4所示。

圖 4 Si MHs/Gr SD光探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖.

光電特性是影響光電探測(cè)器的性能的主要因素，其中特性參數(shù)主要包括光譜響應(yīng)、響應(yīng)度、探測(cè)率、響應(yīng)速度等[10]。

■2.1 光譜響應(yīng)

光譜響應(yīng)是指光陰極量子效率與入射波長(zhǎng)之間的關(guān)系，可以展示光電探測(cè)器對(duì)不同波長(zhǎng)入射光能有效轉(zhuǎn)換成電能的能力，其常用的單位為安培/瓦(A/W)。器件內(nèi)部?jī)r(jià)帶電子吸收足夠多的光子能量，從而越過(guò)帶隙躍遷至導(dǎo)帶，形成光生電子空穴對(duì)，即光生電流。所以探測(cè)波長(zhǎng)與半導(dǎo)體材料的禁帶寬度有關(guān)[11]。推導(dǎo)公式如下：

其中h是歸一化的普朗克常數(shù)，Eg是半導(dǎo)體材料的禁帶寬度（eV），c是指光束，λ是截止波長(zhǎng)。本文對(duì)器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將結(jié)區(qū)做在底部采用背光式照射方法來(lái)實(shí)現(xiàn)窄帶探測(cè)。

Si MHs/Gr SD器件的歸一化光譜響應(yīng)如圖5所示，器件具有明顯的窄帶近紅外響應(yīng)，因?yàn)槎滩ㄩL(zhǎng)的光照射到器件上被硅表面吸收，光生載流子很難被電極收集，對(duì)電流貢獻(xiàn)很小。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與silvaco TCAD仿真結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，光譜響應(yīng)曲線(xiàn)大致吻合，響應(yīng)波峰均在 1064 nm 附近，半峰寬約為 96 nm。

圖5 Si MHs/Gr SD器件的光譜響應(yīng)曲線(xiàn)與仿真結(jié)果對(duì)比.

■2.2 響應(yīng)度與探測(cè)率

響應(yīng)度(Responsivity，R)是衡量光電探測(cè)器光能轉(zhuǎn)化成電能效率的物理量。一般用光電探測(cè)器的輸出信號(hào)與入射光的功率之比來(lái)描述。響應(yīng)度R越大表示該光電探測(cè)器的性能越好。其計(jì)算公式如下：

式中的Ip是器件的光電流，Id是器件暗電流，P是入射光的功率。

探測(cè)率（Detectivity，D）是衡量光電探測(cè)器探測(cè)能力的重要參數(shù)，其計(jì)算公式可以表示如下：

式中Id是光電探測(cè)器的暗電流，R為光電探測(cè)器的響應(yīng)度，q為電荷量。從公式可以看出探測(cè)率D的值與響應(yīng)度有很大關(guān)系，響應(yīng)度R越大，探測(cè)率D越大。計(jì)算響應(yīng)度和探測(cè)率往往需要先測(cè)試出光電探測(cè)器的電流輸出信號(hào)，即I-V特性曲線(xiàn)和I-T特性曲線(xiàn)[12]。

圖6(a)為Si MHs/Gr SD 光探測(cè)器在無(wú)光照和 1064 nm 光照下的 I-V 曲線(xiàn)，從圖中可以看出Si MHs/Gr SD器件具有優(yōu)異的整流特性，并且在1064 nm波長(zhǎng)光的照射下出現(xiàn)了明顯的光響應(yīng)電流。圖6(b)、(c)分別為Si MHs/Gr SD在相同功率不同波長(zhǎng)以及相同波長(zhǎng)不同功率的 I-V 曲線(xiàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該器件只對(duì)近紅外光有響應(yīng)，且隨著光功率的增大而增大，并在1064nm處趨于穩(wěn)定。圖 6(d)是Si MHs/Gr SD與平面硅基器件的I-T特性曲線(xiàn)對(duì)比，可以明顯看出在1064 nm光照下Si MHs/Gr SD的光電流比平面硅基器件大一個(gè)數(shù)量級(jí)。這是因?yàn)楣栉⒖紫莨饨Y(jié)構(gòu)加強(qiáng)了器件對(duì)近紅外光的收集，在結(jié)區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，有利于分離光生載流子，形成較大的光電流。通過(guò)對(duì)比說(shuō)明了硅微孔結(jié)構(gòu)能夠很大幅度地增強(qiáng)對(duì)近紅外光的吸收，進(jìn)而提高了近紅外響應(yīng)性能。

圖6

圖6(e)是Si MHs/Gr SD器件和Si/Gr SD器件的響應(yīng)度曲線(xiàn)。從圖中可以看出在紫外和可見(jiàn)光波段兩個(gè)器件均無(wú)響應(yīng)。而在近紅外光照下Si MHs/Gr SD器件的響應(yīng)度比Si/Gr SD器件大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。圖 6(f)是Si MHs/Gr SD器件在1064 nm波長(zhǎng)光照下的響應(yīng)度和探測(cè)率曲線(xiàn)，在-1V偏壓下響應(yīng)度達(dá)到0.39 A/W，探測(cè)率高達(dá)3×1012Jones。這也體現(xiàn)了該器件強(qiáng)大的近紅外光響應(yīng)性能。

■2.3 響應(yīng)速度

本文對(duì)Si MHs/Gr肖特基結(jié)光電探測(cè)器的響應(yīng)速度進(jìn)行了系統(tǒng)研究。圖7(a)為不同脈沖光頻率（frequency，f）下的歸一化響應(yīng)，從中可以看出Si MHs/Gr SD器件的-3dB 帶寬（BW）約為1.9 kHz。圖7(b)為 f=1kHz 、1.9kHz和 7 kHz 下的時(shí)間響應(yīng)曲線(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)器件在這些脈沖光頻率照射下具有穩(wěn)定的響應(yīng)，光電響應(yīng)信號(hào)幾乎沒(méi)有衰減。為了獲取器件的響應(yīng)時(shí)間，選擇在帶寬范圍內(nèi)的脈沖光頻率獲得的時(shí)間響應(yīng)，如圖7(c)，從中可以估算Si MHs/Gr SD器件的上升時(shí)間和下降時(shí)間，分別是58 μs和196μs，這與當(dāng)前報(bào)道的硅基光電探測(cè)器件的響應(yīng)速度要快得多。

圖7

3 總結(jié)

本章通過(guò)三維仿真、光刻、刻蝕、石墨烯轉(zhuǎn)移、電極裝配等步驟制備出硅微孔陷光結(jié)構(gòu)與石墨烯相結(jié)合的Si MHs/Gr肖特基結(jié)窄帶近紅外光探測(cè)器。通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)地表征了該器件的光電特性，獲得如下成果：

(1)通過(guò)silvaco TCAD中的三維仿真工具Devedit 3D設(shè)計(jì)Si MHs/GrSD光探測(cè)器，并分析仿真結(jié)果得出硅微孔陣列的光場(chǎng)分布、產(chǎn)生率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于平面硅。

(2)因?yàn)楣栉⒖紫莨饨Y(jié)構(gòu)對(duì)近紅外光在結(jié)構(gòu)上的高收集率，本文通過(guò)三維仿真、光刻、刻蝕、石墨烯轉(zhuǎn)移、電極制備等方式制備出Si MHs/Gr 肖特基結(jié)光探測(cè)器。制備的Si MHs/Gr SD光探測(cè)器對(duì)窄帶近紅外（980nm、1064nm）有優(yōu)異的光響應(yīng)特性，響應(yīng)波長(zhǎng)范圍約為800-1200 nm，其光響應(yīng)波峰在1064 nm附近，半峰寬約為96 nm。

(3)硅微孔陷光結(jié)構(gòu)提高了對(duì)光的收集，相對(duì)于平面硅響應(yīng)度和探測(cè)率高7倍以上，-1V偏壓下，響應(yīng)度和探測(cè)率分布高達(dá)0.39 A/W和3×1012Jones，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通硅基光電探測(cè)器。而且光探測(cè)器的光學(xué)帶寬（-3dB）為1.9 kHz，響應(yīng)時(shí)間為58 μs。

Si MHs/Gr SD窄帶近紅外光探測(cè)器為微納結(jié)構(gòu)在光電探測(cè)器上的應(yīng)用提供了參考的價(jià)值。