氮化鎵基雪崩探測(cè)器暗電流機(jī)制的仿真研究

孫佳佳

[摘 要]暗電流是影響氮化鎵（GaN）雪崩光電探測(cè)器性能的一個(gè)關(guān)鍵性因素。課題組通過(guò)工具軟件Sentaurus？鄄TCAD對(duì)GaN基雪崩探測(cè)器暗電流機(jī)制進(jìn)行了仿真研究，對(duì)其暗電流的主要機(jī)制：擴(kuò)散電流、復(fù)合電流、隧穿電流、雪崩倍增電流以及表面復(fù)合電流進(jìn)行了總結(jié)與分析。將仿真得到的雪崩探測(cè)器暗電流特性與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)它們具有很好的吻合性，為學(xué)生對(duì)GaN探測(cè)器暗電流特性的學(xué)習(xí)和仿真研究提供參考和借鑒。

[關(guān)鍵詞]器件模擬仿真；GaN基雪崩探測(cè)器；暗電流機(jī)制模型

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2017）12-0042-05

目前，紫外探測(cè)技術(shù)在民用和軍事領(lǐng)域的需求越來(lái)越高，并成為繼紅外和激光技術(shù)之后又一軍民兩用的光電探測(cè)技術(shù)。[1]高靈敏度的紫外探測(cè)器以及紫外探測(cè)器材料因而也逐漸成為研究的熱點(diǎn)。GaN基材料由于其具有很高的熔點(diǎn)以及較好的化學(xué)穩(wěn)定性，成為在惡劣環(huán)境下工作的器件材料。此外通過(guò)改變其三元合金AlGaN中的Al組分，可以實(shí)現(xiàn)禁帶寬度的調(diào)節(jié)（3.4eV～6.2eV），覆蓋200nm以上的紫外波段，這使得GaN成為理想的紫外探測(cè)器材料。[2]GaN基探測(cè)器由于其工作原理和結(jié)構(gòu)的不同又分為：MSM型、PIN型和SAM型等，其中目前使用較為廣泛的PIN探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

影響光電探測(cè)器性能的因素有很多，探測(cè)器在沒(méi)有光照時(shí)，其內(nèi)部由于熱電子發(fā)射等原因也會(huì)產(chǎn)生自由載流子，它們能夠在電場(chǎng)的作用下形成電流，這種在無(wú)光照時(shí)產(chǎn)生的電流稱為暗電流。[3]器件的暗電流是一種噪聲信號(hào)，也是影響探測(cè)器性能的一個(gè)主要因素[4]，因此為了提高光電探測(cè)器性能，需要對(duì)暗電流機(jī)制進(jìn)行深入的研究。

一、器件結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)

在Sentaurus？鄄TCAD軟件的器件結(jié)構(gòu)編輯模塊中創(chuàng)建背照射型GaN p？鄄i？鄄n探測(cè)器器件模型。如圖2所示，在襯底上依次定義了三層外延層，自下而上分別為0.6μm厚n型層（摻雜濃度為2×1018cm-3），0.2μm厚非故意摻雜的i型層（摻雜濃度為1×1016cm-3）以及0.15μm厚p型層（摻雜濃度為2×1017cm-3），此外在器件的上表面定義了一層500nm厚的Si3N4鈍化層。仿真中根據(jù)GaN材料的特性編寫(xiě)其材料的參數(shù)文件，并將參數(shù)文件導(dǎo)入器件仿真模塊中，GaN材料部分參數(shù)如表1所示。

二、暗電流機(jī)制模型

GaN基探測(cè)器總的暗電流一般包括了以下成分：擴(kuò)散電流、復(fù)合電流、隧穿電流以及表面漏電流。對(duì)于雪崩探測(cè)器而言，總的暗電流除了上述類(lèi)型的暗電流之外還包括了由雪崩倍增主導(dǎo)的電流。[5]不同類(lèi)型的暗電流根據(jù)其作用機(jī)制，在不同的條件下對(duì)總的暗電流產(chǎn)生貢獻(xiàn)，其中擴(kuò)散電流、復(fù)合電流、隧穿電流以及雪崩倍增電流的機(jī)制如圖3所示。GaN基雪崩探測(cè)器暗電流仿真主要的模型參數(shù)如表2所示。

對(duì)探測(cè)器暗電流的仿真主要通過(guò)Sentaurus？鄄TCAD中器件物理仿真模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)調(diào)用電子與空穴的連續(xù)性方程來(lái)計(jì)算載流子的漂移擴(kuò)散以及產(chǎn)生與復(fù)合過(guò)程。連續(xù)性方程表達(dá)式為：

其中Jn，Jp分別為電子和空穴的密度；n，p為電子和空穴的濃度；G為載流子生成速率；R為載流子復(fù)合速率；q為電荷量。

1.擴(kuò)散電流

擴(kuò)散是半導(dǎo)體中載流子從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的輸運(yùn)過(guò)程。光電探測(cè)器一般工作在零偏或是反向的偏壓下，內(nèi)部將產(chǎn)生一定寬度的耗盡區(qū)。耗盡區(qū)內(nèi)由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用幾乎沒(méi)有可以自由移動(dòng)的載流子，而在耗盡區(qū)外由于少數(shù)載流子存在濃度差做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生擴(kuò)散電流。

2.復(fù)合電流

半導(dǎo)體中載流子的復(fù)合過(guò)程主要有3種[6]：間接復(fù)合（SRH recombination），俄歇復(fù)合（Auger recombination）以及輻射復(fù)合（Radiative recombination）。

SRH復(fù)合主要是由于半導(dǎo)體材料在其生長(zhǎng)過(guò)程中存在一定程度的缺陷。對(duì)于GaN基器件GaN/AlGaN材料體系由于晶格失配和熱失配產(chǎn)生的缺陷密度達(dá)到108～1011cm-2，當(dāng)器件工作時(shí)，材料中的缺陷在半導(dǎo)體表面和內(nèi)部形成陷阱。[7][8]另外，由于陷阱類(lèi)型的差異（受主型和施主型）形成復(fù)合中心對(duì)不同類(lèi)型的載流子進(jìn)行俘獲。如圖4所示，缺陷形成了復(fù)合中心Et，電子和空穴能夠被該復(fù)合中心俘獲或是重新發(fā)射，因而也產(chǎn)生了與SRH復(fù)合相關(guān)的電子空穴壽命。

3.隧穿電流

當(dāng)逐漸提高器件兩端的反向偏壓（未達(dá)到雪崩臨界電場(chǎng)），勢(shì)壘區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)逐漸增強(qiáng)，P區(qū)價(jià)帶頂將高于N區(qū)導(dǎo)帶底產(chǎn)生隧穿通道，電子從價(jià)帶通過(guò)隧穿通道進(jìn)入導(dǎo)帶形成隧穿電流。隧穿電流根據(jù)其不同的隧穿過(guò)程又分為直接隧穿和陷阱輔助隧穿，其中陷阱輔助隧穿主要是由于在半導(dǎo)體內(nèi)部結(jié)面處，尤其是異質(zhì)結(jié)存在大量的缺陷形成陷阱區(qū)域。這些陷阱在半導(dǎo)體中形成中間復(fù)合能級(jí)，能夠?qū)λ泶┻^(guò)程的電子產(chǎn)生俘獲和重新發(fā)射的作用。

直接隧穿過(guò)程主要發(fā)生在結(jié)區(qū)域，由于摻雜類(lèi)型在這里突變從而產(chǎn)生較強(qiáng)的勢(shì)壘，此外GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)器件一般會(huì)在異質(zhì)結(jié)區(qū)域誘導(dǎo)產(chǎn)生極化電荷，使得結(jié)區(qū)域產(chǎn)生很強(qiáng)的局域電場(chǎng)。仿真采用與電場(chǎng)相關(guān)的隧穿模型模擬直接隧穿的過(guò)程，直接隧穿機(jī)制主導(dǎo)的暗電流載流子的生成速率Gb2b為：

陷阱輔助隧穿主要與缺陷產(chǎn)生的陷阱電荷狀況有關(guān)，仿真時(shí)將陷阱輔助隧穿的載流子壽命引入SRH復(fù)合模型的載流子壽命中，模擬陷阱電荷對(duì)隧穿過(guò)程產(chǎn)生的影響。通過(guò)表達(dá)式可知，陷阱輔助隧穿壽命的引入將會(huì)導(dǎo)致SRH復(fù)合壽命的降低。此外陷阱輔助隧穿過(guò)程會(huì)導(dǎo)致陷阱截面產(chǎn)生一定程度的擴(kuò)大，可以通過(guò)將陷阱輔助隧穿因子引入陷阱俘獲截面的表達(dá)式中來(lái)模擬這一過(guò)程。陷阱輔助隧穿作用后的載流子壽命τ以及陷阱電荷的俘獲面積σ為：

4.雪崩倍增電流endprint

隨著器件兩端所加反向偏壓繼續(xù)增大，器件內(nèi)部的耗盡區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大并處于很高強(qiáng)度的電場(chǎng)之下，在內(nèi)電場(chǎng)的作用下載流子獲得的加速作用越來(lái)越強(qiáng)，動(dòng)能增大。當(dāng)內(nèi)電場(chǎng)逐漸達(dá)到雪崩的臨界電場(chǎng)時(shí)，高速運(yùn)動(dòng)的載流子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中撞擊晶格，使價(jià)電子從晶格中掙脫形成自由的電子空穴對(duì)。而新產(chǎn)生的電子空穴在電場(chǎng)的作用下同樣獲得加速作用撞擊晶格產(chǎn)生電子和空穴，這樣的過(guò)程使得耗盡區(qū)內(nèi)的載流子數(shù)量急劇增加，形成雪崩倍增機(jī)制主導(dǎo)的暗電流。

仿真采用離化模型模擬雪崩倍增的過(guò)程，雪崩倍增主導(dǎo)的暗電流載流子的生成速率Gava為：

5.表面漏電流

半導(dǎo)體材料在生長(zhǎng)過(guò)程中，器件的表面相較于體內(nèi)更容易產(chǎn)生缺陷，具有高密度缺陷的器件表面會(huì)產(chǎn)生許多局域的復(fù)合能級(jí)形成表面態(tài)。一般探測(cè)器表面漏電流的組成主要有：表面復(fù)合電流、表面隧穿電流以及表面溝道電流。[11]表面電流的組成其實(shí)很復(fù)雜，尤其是其主要作用在表面的一個(gè)相對(duì)狹窄的區(qū)域，這樣增加了器件仿真時(shí)的計(jì)算難度，更容易出現(xiàn)仿真計(jì)算時(shí)不收斂的問(wèn)題。通常情況下在低電場(chǎng)下主要考慮表面復(fù)合電流，而在相對(duì)的高電場(chǎng)下表面的隧穿電流逐漸增強(qiáng)。

三、結(jié)果與討論

根據(jù)上述的暗電流機(jī)制物理模型以及GaN基材料的參數(shù)，通過(guò)Sentaurus-TCAD軟件對(duì)GaN基雪崩探測(cè)器進(jìn)行器件模擬和數(shù)值計(jì)算。如圖6所示，將仿真得到的暗電流特性曲線與文獻(xiàn)[12]中制備得到的GaN基雪崩探測(cè)器暗電流的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中測(cè)試得到的暗電流由于測(cè)試系統(tǒng)本身存在極限電流產(chǎn)生誤差，因而當(dāng)探測(cè)器外加反向偏壓低于20V時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)。而當(dāng)偏壓大于20V時(shí)仿真得到的暗電流與實(shí)驗(yàn)得到的暗電流基本吻合，反向偏壓增加至75V左右時(shí)器件發(fā)生雪崩擊穿。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，采用器件仿真的方法能夠很好的對(duì)GaN基雪崩探測(cè)器的暗電流機(jī)制進(jìn)行分析和研究，而對(duì)于更加復(fù)雜的探測(cè)器結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制，還需要我們進(jìn)一步的研究和學(xué)習(xí)。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 劉福浩，許金通，王玲，等.GaN基雪崩光電二極管及其研究進(jìn)展[J].紅外與激光工程，2014（4）：1215-1221.

[2] Pearton S J， Kang B S， Kim S， et al. GaN？鄄based diodes and transistors for chemical， gas， biological and pressure sensing[J]. Journal of Physics Condensed Matter，2004（29）：R961-R994（34）.

[3] 余金中.半導(dǎo)體光子學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2015.

[4] Xu G Y， Salvador A， Kim W， et al. High speed， low noise ultraviolet photodetectors based on GaN p？鄄i？鄄n and AlGaN（p）？鄄GaN（i）？鄄GaN（n）structures[J]. Applied Physics Letters， 1997（15）：2154-2156.

[5] Wang X， Hu W， Chen X， et al. Dependence of dark cur？鄄rent and photoresponse characteristics on polarization charge den？鄄sity for GaN？鄄based avalanche photodiodes[J]. Journal of Physics D： Applied Physics， 2011（40）：405102.

[6] 施敏.半導(dǎo)體器件物理與工藝（第二版）[M].蘇州：蘇州大學(xué)出版社，2002.

[7] Klein P B， Binari S C， Ikossi K， et al. Current collapse and the role of carbon in AlGaN/GaN high electron mobili？鄄ty transistors grown by metalorganic vapor？鄄phase epitaxy[J]. Applied Physics Letters， 2001（21）：3527-3529.

[8] Klein P B， Binari S C， Ikossi-Anastasiou K， et al. Inves？鄄tigation of traps producing current collapse in Al？鄄GaN/GaN high electron mobility transistors[J].Applied Physics Letters，2001（10）：661-662.

[9] Eliseev P G， OsinSki M， Li H， et al. Recombina？鄄tion balance in green？鄄light？鄄emitting GaN/InGaN/Al？鄄GaN？鄄quantum wells[J]. Applied Physics Letters，1999（24）：3838-3840.

[10] Ahrenkiel R K， Ellingson R， Johnston S， et al. Recombi？鄄nation lifetime of In0.53Ga0.47As as a function of doping density[J]. Applied Physics Letters， 1998（26）：3470-3472.

[11] 岳婷婷，殷菲，胡曉寧.硅基HgCdTe光伏器件的暗電流特性分析[J]. 激光與紅外，2007（b09）：931-934.

[12] Mcclintock R， Bayram C， Razeghi M， et al. Ⅲ？鄄nitride avalanche photodiodes[J]. Proceedings of SPIE ？鄄 The In？鄄ternational Society for Optical Engineering，2007（1）：54-68.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]endprint