二極管光生電流影響因素的仿真研究

劉承芳，孫 鵬，高吳昊，夏 云，左慧玲，陳萬軍

（1.電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都 610054；2.中國工程物理研究院微系統(tǒng)與太赫茲研究中心，成都 610200；3.中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽 621999）

1 引言

在某些應(yīng)用場景中（如航空航天、太空探測以及核電站維護等）會存在光輻照，當(dāng)光與半導(dǎo)體材料相互作用時，會發(fā)生電離效應(yīng)，產(chǎn)生載流子。以硅二極管為例，根據(jù)二極管的光電池原理[1]可知，如果不撤掉光照，此時的二極管將與一個獨立的電源類似，可以源源不斷地為外電路提供電流，這存在兩方面的問題：一會導(dǎo)致器件的誤開啟，二會額外增加器件的功耗。這意味著全部基本元器件的工作性能將會受到顯著的影響，在嚴(yán)重的情況下可能會影響系統(tǒng)的性能，導(dǎo)致系統(tǒng)永久性失效，因此更加深入了解器件光輻照效應(yīng)的重要性日益凸顯，其中器件的光生電流是體現(xiàn)器件光輻照響應(yīng)的重要因素之一。此外，研究學(xué)者進(jìn)行光輻照仿真的時候，選取的波長通常較大，該波長范圍下的本征吸收迅速下降，為了更好地了解器件的光輻照響應(yīng)，就必須對本征吸收限以下的光照波長進(jìn)行分析研究。

文章通過二維仿真模擬光照環(huán)境，對硅二極管光生電流的影響因素進(jìn)行分析研究，從光吸收作用出發(fā)，然后選取合適的光照模型，在不超過硅材料本征吸收限的光照波長范圍中，對光照波長、外加電壓、光照強度等影響因素進(jìn)行仿真研究，擴大了光照波長的研究范圍，為進(jìn)一步研究硅器件的光輻照響應(yīng)奠定了良好的基礎(chǔ)。

2 光輻照響應(yīng)仿真

2.1 基本結(jié)構(gòu)參數(shù)與模型

仿真所用的二極管耐壓約為60 V，器件初始參數(shù)及連接方式如表1、圖1所示，陽極（Anode）下方為P型摻雜，陰極（Cathode）下方為N型摻雜。陰極接高電位DC，陽極處串聯(lián)兩個阻值均為1 kΩ的電阻R1、R2；電壓穩(wěn)定后，光沿y軸方向垂直表面入射。仿真涉及的模型包括溫度模型Thermodynamic、俄歇復(fù)合模型auger、包括了雜質(zhì)和載流子間散射的遷移率模型phumob、界面處遷移率退化模型enormal以及光照模型Optics。

表1 器件參數(shù)

圖1 器件結(jié)構(gòu)及連接示意圖

2.2 光作用過程

當(dāng)光照通過半導(dǎo)體時，會發(fā)生光的吸收，出現(xiàn)光的衰減現(xiàn)象；通常情況下，半導(dǎo)體材料能夠強烈地吸收光能，當(dāng)光能足夠大時，價帶上的電子會掙脫價帶的束縛，從價帶躍遷至導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對，即本征吸收；實際上并不是吸收的能量全部用來產(chǎn)生電子空穴對，當(dāng)材料摻雜濃度很高的時候，材料內(nèi)部會發(fā)生自由載流子吸收，這種吸收形式并不會產(chǎn)生電子空穴對，它會讓材料的溫度迅速上升。在進(jìn)行仿真的時候，電路參數(shù)（如偏置、電阻值等）可以利用sentaurus中的system語句來定義。光照參數(shù)利用excitation語句來定義：語句中，光照波長直接用wavelength表達(dá)，默認(rèn)單位為μm，光照能量對應(yīng)的參數(shù)是Intensity，它表示單位體積所包含的能量大小；其余參數(shù)值（如入射角度以及光照時間）保持固定，光照參數(shù)具體數(shù)值的選取范圍如表2所示，從表2中可以看出，為了考察硅材料本征吸收限以內(nèi)光生電流的影響因素，光照波長并未超過1.1 μm。另外，通過改變parameter文件中的參數(shù)確定自由載流子吸收模型，文獻(xiàn)[2-5]對相關(guān)參數(shù)的選取過程進(jìn)行了說明。

表2 光照參數(shù)

當(dāng)光照射半導(dǎo)體時，載流子數(shù)量急劇增加，產(chǎn)生等量的電子和空穴；由于陰極接高電位，空穴在電場作用下往陽極運動形成空穴電流，電子往陰極移動形成電子電流，總電流增加；當(dāng)光照撤去以后，不斷進(jìn)行電子和空穴的復(fù)合，載流子數(shù)量減小，電流開始下降。實際仿真結(jié)果如圖2所示。圖2(a)～(d)分別給出了光照前后電子數(shù)量隨時間的變化圖：(a)加光之前P+區(qū)電子數(shù)量較少；(b)加光之后P+區(qū)電子數(shù)量增加，N+區(qū)顏色加深；(c)和(d)分別為光照撤去20 ns及100 ns之后電子的濃度分布圖，從圖中可以看出，P+區(qū)電子濃度減小，N+區(qū)顏色逐漸變淺，意味著電子數(shù)量也在逐步減小。

圖2 光照前后電子數(shù)量隨時間的變化

2.3 影響二極管光生電流的因素

光與二極管相互作用時會形成光生電流，影響器件的工作性能，甚至有可能導(dǎo)致微電子系統(tǒng)的失效，因而進(jìn)一步研究器件的光生電流就變得很重要。影響二極管光生電流的因素主要有：(1)光照波長，它與吸收系數(shù)直接相關(guān)，吸收系數(shù)隨著波長的變化而改變，光生電流的變化趨勢與吸收系數(shù)的變化一致；(2)光照強度，當(dāng)波長確定以后，光照強度越大，二極管能夠吸收的能量增加，從而影響光生電流的大??；(3)摻雜濃度，當(dāng)半導(dǎo)體摻雜濃度很高的時候，自由載流子吸收將會占很大比例，可能會導(dǎo)致本征吸收減小，從而讓光生電流減??；(4)外加偏置，光照環(huán)境確定，當(dāng)光生電流流過外接負(fù)載時，使得陽極電位上升，由于負(fù)載一定，電位上升趨勢與光生電流上升趨勢相同，并且在外加負(fù)載的情況下，電流值的大小和電位值的大小相關(guān)，因此需要考察外加偏置對光生電流的影響。

2.4 光輻照仿真

通過TCAD二維仿真，考察二極管電路中光生電流的變化趨勢，器件摻雜濃度保持不變，在不超過硅材料本征吸收限的光照波長范圍內(nèi)，對二極管光生電流的影響因素進(jìn)行了仿真研究，并給出了相關(guān)結(jié)論。

2.4.1 外加電壓對光生電流的影響

為了考察外加偏置對光生電流的影響，分別選取了5 V和10 V這兩種偏置；光波長1.064 μm，光照強度 10～1×108W/cm2,光照時間 5 ns。初始情況下，陰極接高電位，陽極串聯(lián)2個電阻R1、R2并接地，待電壓穩(wěn)定后進(jìn)行光照，光生電流從陽極流出并經(jīng)過負(fù)載。仿真結(jié)果如圖3所示，圖中分別代表外加5 V、10 V的情況下，光生電流隨著光照強度的變化曲線。從圖3中可以看出，初始時刻的光生電流均隨著光照強度呈線性上升，當(dāng)光照強度繼續(xù)增加時，光生電壓達(dá)到最大值，光生電流趨于飽和。

圖3 不同偏置下光生電流隨光照強度的變化曲線

在光輻照情況下，產(chǎn)生光生載流子并形成光生電流I，陽極電壓VA=I×R，隨著電流的增加，陽極電位也會相應(yīng)提高；當(dāng)光照強度較小時，光生電流隨著光照強度的增加呈線性增長，當(dāng)光照強度繼續(xù)增加時，光生電流趨于穩(wěn)定，陽極點電位達(dá)到飽和，并且這兩種情況下的陽極-陰極兩端的電位差均在0.8 V左右，這個數(shù)值與該二極管的內(nèi)建電勢差相當(dāng)，說明無論外加偏置多少，二極管陽極-陰極兩端電位差不超過該二極管的內(nèi)建電勢差，當(dāng)電位達(dá)到最大值的時候，光生電流也趨于飽和，就算光照強度繼續(xù)增加，光生電流值也保持不變。這意味著當(dāng)光波長在本征吸收限以內(nèi)時，光生電流最大值與光照強度無關(guān)，一旦器件兩端電位差達(dá)到了硅二極管的內(nèi)建電勢差，光生電流就會達(dá)到飽和。

2.4.2 光照強度對光生電流的影響

光照之前，二極管處于反向偏置狀態(tài)，漏電流很??；加上光照后，二極管吸收光能產(chǎn)生光生載流子，形成光生電流，而光照強度的大小會直接影響吸收的能量大??；因此，為了考察光照強度對光生電流的影響，選取了較大的光強度范圍：10～1×108W/cm2；波長、光照時間以及入射角度保持不變，外加負(fù)載以及偏置一定。仿真結(jié)果如圖4所示，給出了不同光強度下光生電流隨著時間的變化曲線，當(dāng)光強度較小時，光生電流隨著光強度的增加而上升，經(jīng)過一段時間后達(dá)到最大值，當(dāng)光照強度繼續(xù)增加時，光生電流值上升速度增加并且迅速到達(dá)峰值；對此，圖5給出了光照強度在1×104～1×108W/cm2的情況下，電流達(dá)到峰值時所需的時間，從圖中可以看出，當(dāng)光照強度超過1×106W/cm2時，光生電流上升至最大值的時間大約在1 ns左右。

圖4 不同光強下光生電流隨時間的變化曲線

圖5 光生電流上升時間

理論上，在光輻照期間，不斷產(chǎn)生電子-空穴對，電流會不斷增加直到撤掉光照，實際上電流會達(dá)到一個飽和值，這說明在不斷產(chǎn)生電子-空穴對的過程中，復(fù)合過程也在進(jìn)行；載流子數(shù)量并不是與光照時間呈線性關(guān)系，當(dāng)光產(chǎn)生載流子數(shù)量與復(fù)合數(shù)量相等時，光電導(dǎo)達(dá)到飽和，光生電流也達(dá)到最大值；另外，當(dāng)光照強度特別大的時候，光電導(dǎo)達(dá)到飽和的速度越快，因為此時載流子濃度很高，電子空穴的壽命減小，即兩者的復(fù)合速度加快。光輻照撤去之后，不產(chǎn)生光生載流子的來源，隨著電子空穴在不斷地進(jìn)行復(fù)合，電流會緩慢下降，說明不論加光與否，只要載流子濃度增加，電子空穴的壽命就會減小，復(fù)合隨之加快。

2.4.3 光照波長對光生電流的影響

光照波長會影響吸收系數(shù)，從而改變器件光生電流的大小。為了考察處于硅材料本征吸收限之內(nèi)的光照波長對光生電流的影響，選取了4組不同的值：0.266 μm、0.532 μm、0.86 μm 以及 1.064 μm。光照強度范圍、入射角度以及光照時間不變，外加偏置和負(fù)載一定。仿真結(jié)果如圖6所示。當(dāng)波長不變時，光生電流隨著光照強度先增加后趨于飽和，當(dāng)光照強度不變時，光生電流先增加后減??；為了讓結(jié)果更加可觀，選取了光照強度在1×103W/cm2下光生電流隨光照波長的變化曲線，如圖7所示，從圖中可以看出，隨著光照波長的增加，光生電流先增加后減小。

圖6 不同波長下光生電流隨光強的變化曲線

圖7 相同光強下光生電流隨波長的變化曲線

理論上，隨著光照波長的減小，吸收系數(shù)會隨之增加，光生電流應(yīng)該增大，說明當(dāng)光波長不超過硅材料的本征吸收限時，隨著光照波長的減小，吸收系數(shù)先增加后減小，光生電流也呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；還存在一個可能的因素：隨著光照波長減小，單個光子的能量增加，在光照強度一定的情況下，產(chǎn)生的光子數(shù)量減小，能夠吸收的光子數(shù)量也降低，從而導(dǎo)致光生載流子數(shù)量減小，光生電流減小。

3 結(jié)果及討論

器件的光輻照響應(yīng)會影響器件的工作性能，嚴(yán)重情況下可能會導(dǎo)致系統(tǒng)永久性失效，進(jìn)一步研究器件的光生電流就變得很重要，在不超過硅材料本征吸收限的光照波長領(lǐng)域中，對二極管光生電流的影響因素進(jìn)行了仿真研究，得出如下結(jié)論：

光輻照情況下，光生電壓不會超過該二極管的內(nèi)建電勢差，一旦兩端電勢差與內(nèi)建電勢相等，電流值達(dá)到飽和，此時光生電流與光照強度無關(guān)；光照強度增加，光生電流上升速度增加，因為光強度很高時，載流子濃度增加，載流子復(fù)合率增加，產(chǎn)生與復(fù)合很快達(dá)到平衡，說明電子空穴的復(fù)合速度與光照強度無關(guān)，只要濃度增加，復(fù)合速度就會加快；當(dāng)光照波長減小，光生電流先增加后減小，說明當(dāng)光波長不超過硅材料的本征吸收限時，隨著波長的減小，吸收系數(shù)先增加后減??；另外，隨著光照波長的減小，單一光子能量增加，總能量不變，能產(chǎn)生載流子的有效光子數(shù)目減小，從而讓光生載流子減小。

4 結(jié)論

由于之前研究的光波長大且范圍廣，幾乎都超過了硅材料的本征吸收限，本文針對該現(xiàn)象，將光照波長范圍減小至本征吸收限以內(nèi)，并進(jìn)行了仿真研究，擴大了光照波長的研究范圍，為進(jìn)一步研究器件的光輻照響應(yīng)奠定了良好的基礎(chǔ)。

本文在研究時選取的節(jié)點跨度較大，且忽略了環(huán)境因素；在以后的工作中應(yīng)更加細(xì)致，將更全面的因素納入考量范圍，讓結(jié)果更加精確；另外，目前只考察了二極管光生電流的變化趨勢，其他半導(dǎo)體元器件光生電流的變化情況還需進(jìn)一步研究。

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