硅肖特基結(jié)自濾波窄帶近紅外光探測器的研究

劉 浩,徐 艷,宋龍梅,夏 宇,于永強

(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器,雖然寬帶光電探測器能夠探測到較寬的光譜范圍(從紅外、可見光到紫外甚至X射線),而窄帶光電探測器只能感知一個小光譜范圍的光即只對特定波長的光具有響應(yīng),但卻具有很強的色彩辨別能力,只用于檢測特定波長內(nèi)的光[1]。其中,近紅外光探測器因?qū)μ囟úㄩL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)計和集成等諸多問題。通常有如下4種方法來進行窄帶光電檢測:① 將光學(xué)濾波器與寬帶光電探測器相結(jié)合;② 使用具有窄帶吸收特性的吸收器;③ 通過等離效應(yīng)增強選定波長范圍內(nèi)的吸收;④ 通過電荷收集變窄來控制外部量子效率(EQE)[4-7]。因此,研發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、易集成的高性能窄帶近紅外光探測器具有重要的意義。硅基光電探測器因具有與微電子工藝有著良好的兼容性,易于實現(xiàn)大面積集成而廣泛應(yīng)用。近年來,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器,原因如下:① 這種簡單的器件結(jié)構(gòu)易于在平面硅上實現(xiàn),肖特基結(jié)的勢壘可以通過控制硅的濃度進行調(diào)控;② 硅/石墨烯肖特基二極管與成熟的平臺硅工藝兼容,具有將光探測器和讀出電路集成的潛力。當(dāng)前報道的硅/石墨烯肖特基二極管光電探測器都是寬光譜響應(yīng),對窄帶響應(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、可見光盲的近紅外窄帶響應(yīng)。

1 器件仿真及窄帶響應(yīng)機制分析

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,可以實現(xiàn)一維、二維和三維工藝和器件仿真。Silvaco TCAD可以實現(xiàn)光探測器的光學(xué)特性和器件的電學(xué)特性(電流-電壓特性)有效地結(jié)合,通過求解器件物理模型可得到光照時光探測器光強分布、電場分布以及光譜響應(yīng)[10]。

(1) 進行器件結(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進行器件仿真,入射光以90°角入射,通過求解泊松方程、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)及光場分布。

泊松方程描述靜電勢和空間電荷密度的分布,其表達式為:

div(εψ)=ρ

(1)

其中:ψ為靜電勢;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對仿真結(jié)果進行查看和分析。

1.2 窄帶響應(yīng)機制分析

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;α為吸收系統(tǒng),大小和光的強度無關(guān)。吸收系數(shù)隨波長變化而變化,根據(jù)硅的吸收[11],因為紫外-可見光的吸收系數(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,可達到硅的背面,如圖2所示。在構(gòu)建器件過程中,將肖特基結(jié)置于器件底部,為實現(xiàn)自濾波的窄帶光探測的設(shè)計方法,可利用硅的吸收特性過濾可見光等短波長部分,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,實現(xiàn)窄帶近紅外探測。

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 器件制備及測試

基于上述器件仿真結(jié)果,實驗制備硅/石墨烯肖特基結(jié)光電探測器,并對器件的光電特性進行研究。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銀絲引出,并固定在PCB上,器件的結(jié)構(gòu)示意圖如器件機制分析(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)測試硅/石墨烯肖特基二極管的電學(xué)特性,包括沒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)建的測試系統(tǒng)測得。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功率計測得。

3 測試結(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)的中心波長從1 000 nm增加大到1 050 nm。光譜隨硅厚度的增加向長波長移動,是由于硅厚度的增加,更長波長的近紅外光將達到器件底部的肖特基結(jié)區(qū)。硅襯底厚度為50 μm時,器件在可見光區(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,為了實現(xiàn)可見光盲的窄帶近紅外光響應(yīng),可通過硅襯底厚度進行調(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)

進一步分析硅/石墨烯肖特基二極管可見光盲的窄帶響應(yīng)機制,硅片厚度為500 μm器件的不同波長入射光下器件的光場分布如4所示。

圖4 不同波長入射光下硅/石墨烯肖特基二極管的光強分布

當(dāng)入射光波長為520、650、808 nm時,入射光主要在器件表明幾個微米的區(qū)域被吸收,而當(dāng)入射光波長為1 064 nm時,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)建電場的作用下分離,被電極收集,形成光電流。光場分布圖進一步驗證了圖2的窄帶響應(yīng)機制分析和圖3的窄帶近紅外響應(yīng)曲線。

為了驗證硅肖特基結(jié)窄帶近紅外響應(yīng)的器件仿真設(shè)計,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)光探測器,實驗測得器件的光譜響應(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)異的可見光盲的窄帶近紅外光響應(yīng)特性,響應(yīng)波長范圍為800～1 200 nm,響應(yīng)中心波長為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?；诎雽?dǎo)體與金屬接觸的理論,為了改善金-半接觸,通常采用重摻雜半導(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平衡。另外,硅表面通常具有幾納米的氧化層,這將對金屬-半導(dǎo)體接觸有一定的影響。因此,在做頂電極之前,可對硅表面氧化層進行處理,達到改善歐姆接觸特性的效果。

為了進一步研究硅/石墨烯肖特基二極管的近紅光響應(yīng)特性,測試了器件的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為肖特基勢壘高度;kB為玻爾茲曼常數(shù);n為理想因子;T為絕對溫度 (300 K);V為工作電壓。

從圖6a中藍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)度是光電探測器的重要器件參數(shù),數(shù)值越大說明器件對光照的靈敏度越高,是一個衡量器件光電轉(zhuǎn)換能力的重要參數(shù)之一。

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

從圖6b可以看出,隨著光周期性開關(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26 mA/W,已接近部分報道的寬光譜的硅/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,這主要是由于在負偏壓下,增加了肖特基結(jié)的勢壘高度,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)動窄帶近紅外光探測。

4 結(jié) 論

基于硅吸收特性及肖特基結(jié)光探測器的器件原理,利用Silvaco TCAD仿真軟件,首次實現(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器的設(shè)計。根據(jù)器件仿真設(shè)計,通過濕法轉(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、可見光盲、自濾光的窄帶近紅外光響應(yīng),響應(yīng)波長在800～1 200 nm之間,中心波長在1 010 nm 附近,半峰寬約為180 nm,響應(yīng)度達26 mA/W。器件的半峰寬大于理論計算的100 nm,可通過硅表面處理,或者采用更高摻雜濃度的硅來改善頂電極與硅之間的歐姆接觸特性。

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