劉 浩,徐 艷,宋龍梅,夏 宇,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

光電探測(cè)器就光譜響應(yīng)范圍內(nèi)的寬度而言可分為寬帶和窄帶光電探測(cè)器,雖然寬帶光電探測(cè)器能夠探測(cè)到較寬的光譜范圍(從紅外、可見(jiàn)光到紫外甚至X射線),而窄帶光電探測(cè)器只能感知一個(gè)小光譜范圍的光即只對(duì)特定波長(zhǎng)的光具有響應(yīng),但卻具有很強(qiáng)的色彩辨別能力,只用于檢測(cè)特定波長(zhǎng)內(nèi)的光[1]。其中,近紅外光探測(cè)器因?qū)μ囟úㄩL(zhǎng)有很高的靈敏度,在臨床診斷、治療設(shè)備或可穿戴的功能性監(jiān)測(cè)設(shè)備等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2-3],但通常面臨高成本濾光片以及復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成等諸多問(wèn)題。通常有如下4種方法來(lái)進(jìn)行窄帶光電檢測(cè):① 將光學(xué)濾波器與寬帶光電探測(cè)器相結(jié)合;② 使用具有窄帶吸收特性的吸收器;③ 通過(guò)等離效應(yīng)增強(qiáng)選定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸收;④ 通過(guò)電荷收集變窄來(lái)控制外部量子效率(EQE)[4-7]。因此,研發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易集成的高性能窄帶近紅外光探測(cè)器具有重要的意義。硅基光電探測(cè)器因具有與微電子工藝有著良好的兼容性,易于實(shí)現(xiàn)大面積集成而廣泛應(yīng)用。近年來(lái),硅/石墨烯肖特基二極管廣泛用于構(gòu)建光伏和高性能光電探測(cè)器,原因如下:① 這種簡(jiǎn)單的器件結(jié)構(gòu)易于在平面硅上實(shí)現(xiàn),肖特基結(jié)的勢(shì)壘可以通過(guò)控制硅的濃度進(jìn)行調(diào)控;② 硅/石墨烯肖特基二極管與成熟的平臺(tái)硅工藝兼容,具有將光探測(cè)器和讀出電路集成的潛力。當(dāng)前報(bào)道的硅/石墨烯肖特基二極管光電探測(cè)器都是寬光譜響應(yīng),對(duì)窄帶響應(yīng)有待于深入研究[8-9]。本文首次采用Silvaco TCAD設(shè)計(jì)了光譜可調(diào)的硅/石墨烯肖特基二極管窄帶近紅外光探測(cè)器,并利用濕法轉(zhuǎn)移石墨烯電極構(gòu)建了硅/石墨烯肖特基二極管,光電特性表征發(fā)現(xiàn),器件具有自濾光的、可見(jiàn)光盲的近紅外窄帶響應(yīng)。

1 器件仿真及窄帶響應(yīng)機(jī)制分析

1.1 器件建模

Silvaco TCAD是一款常用的半導(dǎo)體工藝仿真和器件仿真工具,可以實(shí)現(xiàn)一維、二維和三維工藝和器件仿真。Silvaco TCAD可以實(shí)現(xiàn)光探測(cè)器的光學(xué)特性和器件的電學(xué)特性(電流-電壓特性)有效地結(jié)合,通過(guò)求解器件物理模型可得到光照時(shí)光探測(cè)器光強(qiáng)分布、電場(chǎng)分布以及光譜響應(yīng)[10]。

(1) 進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)的定義,在DevEdit中構(gòu)建二維硅/石墨烯肖特基二極管器件模型,并網(wǎng)格化,如圖1所示。

圖1中,上電極為歐姆接觸電極,下電極為肖特基接觸電極,根據(jù)石墨烯的功函數(shù)進(jìn)行肖特基接觸定義。

圖1 硅/石墨烯肖特基二極管器件建模圖

(2) 在ATLAS進(jìn)行器件仿真,入射光以90°角入射,通過(guò)求解泊松方程、連續(xù)方程、產(chǎn)生復(fù)合模型和Shockley-Read-Hall(SRH)復(fù)合模型獲得器件的光譜響應(yīng)及光場(chǎng)分布。

泊松方程描述靜電勢(shì)和空間電荷密度的分布,其表達(dá)式為:

div(εψ)=ρ

(1)

其中:ψ為靜電勢(shì);ε為介電常數(shù);ρ為空間電荷密度。電子和空穴的連續(xù)性方程定義如下:

(2)

(3)

其中:n、p分別為電子和空穴濃度;Jn、Jp分別為電子和空穴的電流密度;Gn、Rn分別為電子的產(chǎn)生率和復(fù)合率;Gp、Rp分別為空穴的產(chǎn)生率和復(fù)合率。

SRH復(fù)合模型表示為:

(4)

其中:nie為有效本征載流子濃度;RSRH為SRH復(fù)合率。

(3) 利用TonyPlot對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行查看和分析。

1.2 窄帶響應(yīng)機(jī)制分析

硅的帶隙為1.12 eV,光譜吸收范圍在300～1 100 nm之間。光在半導(dǎo)體中的光強(qiáng)為:

I=I0e-αx

(5)

其中:x為半導(dǎo)體的厚度;I0為入射到半導(dǎo)體表面光強(qiáng);α為吸收系統(tǒng),大小和光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)變化而變化,根據(jù)硅的吸收[11],因?yàn)樽贤?可見(jiàn)光的吸收系數(shù)為103～105,近紅外光的吸收系數(shù)為0.1～1.0,所以絕大部分短波長(zhǎng)的光將被硅表面吸收,產(chǎn)生光生載流子在被電極收集之前而被大量復(fù)合;近紅外光因具有很好的穿透能力,可達(dá)到硅的背面,如圖2所示。在構(gòu)建器件過(guò)程中,將肖特基結(jié)置于器件底部,為實(shí)現(xiàn)自濾波的窄帶光探測(cè)的設(shè)計(jì)方法,可利用硅的吸收特性過(guò)濾可見(jiàn)光等短波長(zhǎng)部分,位于器件背面的肖特基結(jié)可分離近紅外光激發(fā)的光生載流子,實(shí)現(xiàn)窄帶近紅外探測(cè)。

圖2 硅/石墨烯肖特基二極管窄帶近紅外響應(yīng)分析示意圖

2 器件制備及測(cè)試

基于上述器件仿真結(jié)果,實(shí)驗(yàn)制備硅/石墨烯肖特基結(jié)光電探測(cè)器,并對(duì)器件的光電特性進(jìn)行研究。器件制備主要包括石墨烯轉(zhuǎn)移、歐姆接觸頂電極制備。首先用高溫膠帶作為掩模在預(yù)處理的SiO2(80 nm)/n型Si(≈1 800 Ω/cm)襯底上選定一個(gè)直徑為5mm的光刻膠窗口;然后選擇含有5%HF的BOE溶液去除SiO2層300 s;接著將化學(xué)氣相沉積合成的石墨烯轉(zhuǎn)移到Si基片上作為底部肖特基接觸電極,并固定在PCB板上;最后選擇In/Ga電極作為歐姆接觸頂電極,均勻涂在硅片上,形成直徑為5 mm的入射光窗口,將頂電極及底電極通過(guò)銀絲引出,并固定在PCB上,器件的結(jié)構(gòu)示意圖如器件機(jī)制分析(圖2),選用石墨烯電極與硅構(gòu)建的肖特基結(jié)置于器件的底部。采用Keithley 4200-SCS/F半導(dǎo)體特性分析系統(tǒng)測(cè)試硅/石墨烯肖特基二極管的電學(xué)特性,包括沒(méi)有光照下和光照下的電流-電壓特性(I-V曲線)。器件的光譜響應(yīng)由氙燈(150 W)、單色儀(Ommi-λ300)、鎖相放大器(SR830)和斬波器(SR540)等構(gòu)建的測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得。為了獲取器件的近紅外響應(yīng)特性,選用1 064 nm激光垂直照射器件,激光功率由Thorlabs PM100D功率計(jì)測(cè)得。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

基于上述的器件建模,獲得不同厚度硅襯底下的硅/石墨烯肖特基二極管器件的歸一化光譜響應(yīng),如圖3所示。

從圖3可以看出,除當(dāng)硅襯底厚度為50 μm, 器件都具有明顯的可見(jiàn)光盲的窄帶近紅外響應(yīng),隨著硅厚度增加,窄帶響應(yīng)的中心波長(zhǎng)從1 000 nm增加大到1 050 nm。光譜隨硅厚度的增加向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng),是由于硅厚度的增加,更長(zhǎng)波長(zhǎng)的近紅外光將達(dá)到器件底部的肖特基結(jié)區(qū)。硅襯底厚度為50 μm時(shí),器件在可見(jiàn)光區(qū)域具有較弱的光響應(yīng),這主要是由于硅厚度的減小使得少量光生載流子在復(fù)合之前可被電極收集。因此,為了實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光盲的窄帶近紅外光響應(yīng),可通過(guò)硅襯底厚度進(jìn)行調(diào)控。

圖3 不同硅襯底下硅/石墨烯肖特基二極管的歸一化光譜響應(yīng)

進(jìn)一步分析硅/石墨烯肖特基二極管可見(jiàn)光盲的窄帶響應(yīng)機(jī)制,硅片厚度為500 μm器件的不同波長(zhǎng)入射光下器件的光場(chǎng)分布如4所示。

圖4 不同波長(zhǎng)入射光下硅/石墨烯肖特基二極管的光強(qiáng)分布

當(dāng)入射光波長(zhǎng)為520、650、808 nm時(shí),入射光主要在器件表明幾個(gè)微米的區(qū)域被吸收,而當(dāng)入射光波長(zhǎng)為1 064 nm時(shí),光能夠深入到肖特基結(jié)區(qū),產(chǎn)生光生載流子可在肖特基結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下分離,被電極收集,形成光電流。光場(chǎng)分布圖進(jìn)一步驗(yàn)證了圖2的窄帶響應(yīng)機(jī)制分析和圖3的窄帶近紅外響應(yīng)曲線。

為了驗(yàn)證硅肖特基結(jié)窄帶近紅外響應(yīng)的器件仿真設(shè)計(jì),選擇常用的厚500 μm、摻雜濃度約為1015cm-3n型硅襯底制備了硅/石墨烯肖特基結(jié)光探測(cè)器,實(shí)驗(yàn)測(cè)得器件的光譜響應(yīng)如圖5所示。

圖5 制備的硅/石墨烯肖特基二極管的歸一化光譜響應(yīng)

從圖5可以看出,器件具有優(yōu)異的可見(jiàn)光盲的窄帶近紅外光響應(yīng)特性,響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為800～1 200 nm,響應(yīng)中心波長(zhǎng)為1 010 nm, 半峰寬約為180 nm。半峰寬大于器件仿真的結(jié)果100 nm,這主要是由于頂電極In/Ga電極與低摻雜的n型硅未形成優(yōu)異的歐姆接觸。基于半導(dǎo)體與金屬接觸的理論,為了改善金-半接觸,通常采用重?fù)诫s半導(dǎo)體。

因此,為了改善器件的性能,可以采用更高摻雜濃度的n型硅片,高摻雜的n型硅片有利于與In/Ga電極形成良好的歐姆接觸。但提高半導(dǎo)體摻雜濃度,將增加器件的暗電流,需要在這兩者之間取一個(gè)平衡。另外,硅表面通常具有幾納米的氧化層,這將對(duì)金屬-半導(dǎo)體接觸有一定的影響。因此,在做頂電極之前,可對(duì)硅表面氧化層進(jìn)行處理,達(dá)到改善歐姆接觸特性的效果。

為了進(jìn)一步研究硅/石墨烯肖特基二極管的近紅光響應(yīng)特性,測(cè)試了器件的1 064 nm近紅外下的光響應(yīng),如圖6所示。

從圖6a可以看出,器件具有明顯的整流特性,-2～2 V之間的整流比達(dá)102。肖特基結(jié)電流-電壓特性關(guān)系為:

(6)

其中:A為器件的有效面積;S為理查德森常數(shù) (120 A/cm2·K2));q為電子電量;φ為肖特基勢(shì)壘高度;kB為玻爾茲曼常數(shù);n為理想因子;T為絕對(duì)溫度 (300 K);V為工作電壓。

從圖6a中藍(lán)色虛線部分可以擬合出器件的理想因子n為1.8,肖特基勢(shì)壘高度φ約為0.61 eV,表明制備的硅/石墨烯肖特基結(jié)具有良好的二極管特性。

從圖6a還可以看出,器件對(duì)1 064 nm的近紅外光具有明顯的光響應(yīng)。響應(yīng)度是光電探測(cè)器的重要器件參數(shù),數(shù)值越大說(shuō)明器件對(duì)光照的靈敏度越高,是一個(gè)衡量器件光電轉(zhuǎn)換能力的重要參數(shù)之一。

為了獲得器件的響應(yīng)度,測(cè)試了器件在0、-1 V偏壓下, 2 mW光照下的時(shí)間響應(yīng)特性(圖6b)。

從圖6b可以看出,隨著光周期性開(kāi)關(guān)(ON,OFF),器件的光電流具有穩(wěn)定的周期性變化,表明器件對(duì)1 064 nm光具有穩(wěn)定的響應(yīng)。

圖6 制備的硅/石墨烯肖特基二極管的1 064 nm光響應(yīng)

圖6中,-1 V偏壓下,器件的光電流/暗電流(ION/IOFF)之比為42,小于0偏壓下的110,這主要是由于0偏壓下器件具有更小的暗電流。響應(yīng)度的定義為:

(7)

其中:Iphoto為光生電流;Popt為單位光功率。在-1 V的偏壓下,器件的響應(yīng)度高達(dá)26 mA/W,已接近部分報(bào)道的寬光譜的硅/石墨烯肖特基二極管的響應(yīng)度[12],大于0偏壓的響應(yīng)度,這主要是由于在負(fù)偏壓下,增加了肖特基結(jié)的勢(shì)壘高度,有利于提升光生載流的分離與收集。器件在0偏壓下具有明顯的近紅外光響應(yīng),表明器件可應(yīng)用于自驅(qū)動(dòng)窄帶近紅外光探測(cè)。

4 結(jié) 論

基于硅吸收特性及肖特基結(jié)光探測(cè)器的器件原理,利用Silvaco TCAD仿真軟件,首次實(shí)現(xiàn)了光譜可調(diào)的硅/石墨烯肖特基二極管的窄帶近紅外光探測(cè)器的設(shè)計(jì)。根據(jù)器件仿真設(shè)計(jì),通過(guò)濕法轉(zhuǎn)移石墨烯電極成功制備了硅/石墨烯肖特基二極管,研究了硅/石墨烯肖特基二極管的光響應(yīng)特性,發(fā)現(xiàn)器件具有優(yōu)異的自驅(qū)動(dòng)、可見(jiàn)光盲、自濾光的窄帶近紅外光響應(yīng),響應(yīng)波長(zhǎng)在800～1 200 nm之間,中心波長(zhǎng)在1 010 nm 附近,半峰寬約為180 nm,響應(yīng)度達(dá)26 mA/W。器件的半峰寬大于理論計(jì)算的100 nm,可通過(guò)硅表面處理,或者采用更高摻雜濃度的硅來(lái)改善頂電極與硅之間的歐姆接觸特性。

制備的器件測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了硅肖特基結(jié)窄帶近紅外光探測(cè)的設(shè)計(jì),為構(gòu)建高性能窄帶近紅外光探測(cè)器等新型光電探測(cè)器提供了一定的理論支持和實(shí)驗(yàn)參考。