SiC SAM APD紫外探測器的模擬研究

劉 麗，何志偉

（商丘工學院 基礎教學部，河南 商丘 476000）

SiC SAM APD紫外探測器的模擬研究

劉 麗，何志偉

（商丘工學院 基礎教學部，河南 商丘 476000）

文中基于多種理論模型構建了4H-SiC SAM APD結構紫外光電探測器的基本物理模型。模擬研究了包括反向伏安特性、離化率、光譜響應在內的光電效應特性，并通過改變SAM結構各層厚度，得到了厚度與擊穿電壓、光譜響應的關系，從結果可以看出：減小P+層厚度、增大N、N+層厚度可有效增大光電流，提高探測器性能。

紫外探測器；4H-SiC；SAM APD；模擬研究；光譜響應

紫外線輻射是一種存在于自然界非肉眼可見的輻射，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器這一軍民兩用的光電探測技術。目前，紫外探測器已被廣泛應用于醫(yī)學工程、石油和礦物開采、雷達和通信、車輛運輸、航天航空以及核能設備等各個方面[1-4]，其已成為人們身邊不可或缺的技術。

紫外探測器主要有以下3個關鍵的特點[5]：1）紫外探測器無需在低溫下工作，其在室溫下依舊可正常工作，實現(xiàn)探測功能；2）紫外探測器對可見光和紅外光是“日盲”，極好的防止其他光線的不利干擾，具有良好的準確性；3）紫外探測器擁有架構簡單、響應速度較快、穩(wěn)定性高等一系列優(yōu)勢。對于諸多新興產業(yè)，迫切地需要能夠快速檢測微小信號的探測器，在這種環(huán)境下，紫外雪崩光電探測器（APD）以其納秒量級的速度，百萬倍的增益進入了國際視野[6-7]?，F(xiàn)在僅有4H-SiC可基本滿足APD的要求，因此需要對4H-SiC APD進行理論模擬研究，以指導4H-SiC APD的研發(fā)制造。

1 SAM APD光電探測器結構模型

對于4H-SiC材料而言，空穴注入倍增層可更好的抑制噪聲，又因為需要重摻雜的倍增層使電場在該區(qū)域迅速降低。所以，感光層選取p+摻雜的半導體。n型摻雜半導體區(qū)域與p+型摻雜區(qū)域共同構成倍增層，在倍增層下部是光子吸收層。要實現(xiàn)同質結SAM APD結構必須使吸收層足夠寬且摻雜濃度要低，保證正常工作時光子主要在吸收層被吸收，同時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-型摻雜半導體制作探測器的吸收層，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紫外光電探測器的基礎模型結構[8]如圖1所示。

圖1 SAM APD基礎模型結構

文中采用Fortran95語言對器件模型進行仿真模擬。在實際模擬時，通過對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光電探測器物理模型

漂移-擴散模型[9]是分析SAM APD結構的基礎模型，亦是載流子輸運的核心理論依據。對于光照條件下的器件，只考慮基礎的漂移-擴散模型是不夠的，需考慮光生載流子的影響。光生載流子是光電探測器的關鍵，而載流子的遷移率則極大程度影響了載流子的輸運，在分析理想條件下的簡單問題時，通常將載流子的遷移率看作常數(shù)進行運算，這樣計算出的結果與實際情況相比，偏差較大，所以就需要引入遷移率模型[10-11]，增強計算模擬的準確度。帶正電的空穴遇到帶負電的電子，共同結合成不帶電的系統(tǒng)，通常將該種非平衡載流子的消亡過程稱為載流子的復合，文中只考慮兩種主要的復合模型：俄歇復合和SRH復合。SiC中的雜質電離能比較高，不易充分地全部電離，載流子可能發(fā)生“凍析”效應，有必要考慮不完全電離模型。當雪崩倍增區(qū)的電場超過一定值時，載流子出現(xiàn)雪崩倍增，此時需考慮雪崩倍增模型[12-13]。

3 SAMAPD光電探測器模擬結果分析

3.1 暗電流及反向伏安特性

在模擬過程中，通過設定一定的入射光強（10-10J）和波長范圍（200～380nm），以外加反向偏壓為自變量得到光電流的電壓-電流關系，作出相應的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

通過圖2和圖3可看出，當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；當外加偏壓達到擊穿電壓時，光電流出現(xiàn)一個劇增現(xiàn)象，迅速達到一個比較大的值。在沒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、暗電流對比數(shù)據如表1所示。對比發(fā)現(xiàn)，當外加電壓增大，暗電流和光電流均隨之增大。同時，光電流明顯大于暗電流，表示器件能實現(xiàn)較為準確的光探測功能[14]。

表1 光電流與暗電流對比數(shù)據

3.2 光譜響應

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

圖4 光譜響應曲線

從圖4中可以看出，隨著電壓的升高，光電流增大，當反向偏壓達到擊穿電壓值時，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，增益達到105量級。不同電壓下的峰值電流仿真數(shù)據結果，如表2所示。在波長約為260nm的位置處出現(xiàn)了一個吸收峰值，這是因4H-SiC吸收系數(shù)隨波長的增大而減小。當波長小于260nm時，半導體的吸收系數(shù)會較大，吸收深度較淺，這樣會使得入射光子在表面被大量吸收，無法進入半導體內部的轉化成光生載流子，使光電轉換效率大幅降低，光電流減??；當波長大于260nm時，又因吸收系數(shù)小，吸收深度過大，空間電荷區(qū)不足以完全吸收入射光子，故光電流會隨波長的增大而減小[15]。

表2 電壓與峰值電流關系

3.3 離化率

SAM APD結構與其他結構探測器最大的不同就在于器件內部可產生較高的增益，且倍增層與吸收層分離。離化率是衡量雪崩倍增效應的重要指標，其與電場強度聯(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，電子離化率變化與其類似只是數(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zp用來表示空穴電離率，橫坐標為器件耗盡區(qū)的各點位置，每一條曲線對應一個電壓值，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，當達到一定值時發(fā)生雪崩倍增。

圖6 倍增區(qū)空穴電離率

3.4 SAM APD各層厚度對光電效應的影響

為了實現(xiàn)同質結SAM APD結構，每一層的厚度均有嚴格要求。倍增層過厚會吸收過多的光子從而削弱了吸收層作用，吸收層的厚度不當也會影響探測器的各方面性能。在此首先研究當各層寬度改變，雪崩擊穿電壓VBR的變化趨勢。通過模擬編譯得到如表3所示結果。

根據表3中數(shù)據可得出：1）P+層厚度增加，擊穿電壓基本不變，主要是因P+層是重摻雜，空間電荷區(qū)在該區(qū)所占比例較少，所以P+層的厚度變化對整體空間電荷區(qū)影響較小，也就對空間電荷區(qū)內電場影響不大，擊穿電壓與空間電荷區(qū)內電場緊密相關。所以，P+層厚度的變化對擊穿電壓影響并不明顯；2）N層厚度增加，擊穿電壓減小，計算得到的空間電荷區(qū)電場分布如圖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差別，倍增層電場下降較快，而吸收層下降速度較慢，若N層厚度增加（dn坐標向右移動），則在同樣的條件下，電場會下降到更低的位置（濃度與斜率均不變）才進入吸收層，電場和位置坐標圍成的面積表示電壓，若N層厚度增加，則整個圖形所圍成的面積將減小，為了保證電壓不變，電場峰值就需要增大，相應地擊穿電壓將會隨之減??；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?？臻g電荷區(qū)增大，電壓一定的條件下，電場峰值降低，所以擊穿電壓升高。

表3 SAM結構各層厚度對擊穿電壓的影響

圖7 空間電荷區(qū)電場分布

3.5 厚度對光譜響應的影響

光譜響應曲線能最直觀地表現(xiàn)探測器的光電響應性能。SAM結構各層厚度的改變勢將改變器件的光譜響應，分別模擬改變各層厚度對器件的影響，如圖8至圖10所示。

具體分析每層產生的影響及其原因：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換成光生載流子，大多數(shù)在到達空間電荷區(qū)之前便會被復合掉，所以不能參與形成光電流，當P+層厚度增加，意味著更多的入射光子將會在P+層被吸收，隨后產生的光生載流子被復合掉，使光電流減??；2）N層的厚度增大，光電流也增大，從電場分布中可看出，外加電壓幾乎全部施加在N層上，使得N層電場強度較大。所以，N層是倍增層，載流子在該層發(fā)生雪崩倍增效應，該層厚度增加就意味著發(fā)生雪崩倍增效應的區(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，光譜響應峰值位置向長波方向移動[16-17]。

圖8 改變P+層厚度的光譜響應族

圖9 改變N層厚度的光譜響應族

圖10 改變N-層厚度的光譜響應族

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度，增大光電流，有效提高SAM APD結構紫外光電探測器性能。

4 結束語

4H-SiC因其良好的電學、光學性能已被認為是最適宜制作紫外光電探測器的半導體材料之一。文中根據探測器性能要求搭建了SAM APD結構模型，考慮了漂移-擴散模型、雪崩光伏特性、遷移率模型、復合模型、不完全離化模型和倍增因子模型，用fortran語言編寫了SAM APD結構特性，在這些因素的共同影響下進行了模擬研究。分別討論了紫外探測器的反向伏安特性、離化率、光譜響應的特性，得到了合理的結果。又進一步優(yōu)化結構，改變SAM結構中各層的厚度，研究了P+、N、N-各層厚度對器件擊穿電壓和光譜響應的影響，得出了每一層厚度與光電流的關系。最終結果顯示減小P+層厚度、增大N、N+層厚度可有效增大光電流，提高探測器性能。對今后的SAM APD紫外探測器的研究有重要意義。

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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：201608076

2015年河南省教育技術裝備和實踐教育研究立項課題（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，半導體物理與器件。