結合雪崩和PIN特性的4H—SiC紫外光電探測器的模擬

鐘金祥　吳正云　洪榮墩

【摘要】 紫外波段的光探測器具有廣闊的應用前景，本文結合傳統的吸收-倍增-分離（SAM）和PIN結構，設計了一種新結構（APIN）的4H-SiC紫外光電探測器，模擬了其光電特性，并與傳統的SAM和PIN結構的光電探測器進行了對比。結果表明其在雪崩狀態下具有類似于SAM 結構的雪崩光電探測器（APD）的特性，在低反向偏壓下具有類似于PIN光電探測器的特性，為實際器件的制備提供參考。

【關鍵詞】 4H-SiC 紫外光電探測器 SAM PIN

紫外光電探測器在導彈預警、環境監測、火災檢測等方面擁有廣泛的應用，成為近年來光電探測領域的研究熱點之一。4H-SiC材料具有禁帶寬度大、飽和電子漂移速度快、擊穿場強高等眾多優點，使其成為制備紫外光電探測器的理想材料。4H-SiC紫外光電探測器具有低漏電流、高的量子效率、抗輻射和耐高溫等優點。目前4H-SiC紫外光電探測器一般有四種結構：金屬-半導體-金屬（MSM）結構、肖特基勢壘結構、PIN光電二極管結構、以及雪崩光電二極管（APD）結構。雪崩光電二極管（APD）具有靈敏度高、響應速度快和響應帶寬大等優點，一直受到人們的廣泛關注，其主要應用于微弱信號和單光子探測。PIN結構在低工作電壓下，具有較快的響應速度、較高探測率和較低的噪聲等優點，但對微弱信號響應度低。

本文基于傳統的PIN結構[1]和吸收-倍增-分離（SAM）結構[2]的4H-SiC紫外光電探測器，設計了一種新結構的4H-SiC紫外光電探測器，并將其命名為APIN。應用ATLAS半導體模擬軟件，對其的光電特性進行了模擬，并加以分析。器件的結構如圖1（a）所示，在20μm寬的N+襯底上面有一層1μm厚的N?層，在N?層上面的中間是厚度為0.5μm、寬度為4μm的N層，在N層上面和兩側覆蓋了一層厚度為0.15μm的P+層。P+、N、N?和N+層的摻雜濃度分別為2.0×1019cm-3， 5.0×1017cm-3， 3.0×1015cm-3和2.0×1019cm-3。在模擬過程中，光照是垂直入射到器件表面上并均勻照射在器件表面上。同時，對傳統的SAM結構和PIN結構的4H-SiC光電探測器也做了模擬，以作對比分析，結構如圖1（b），（c）。SAM結構中P+、N和 N?的厚度分別為0.15μm、0.4μm、和1μm；PIN結構中P+和N?的厚度分別為0.15μm和1μm。SAM結構以及PIN結構中的各層的摻雜濃度與APIN結構的相同。

圖2給出了4H-SiC APIN、SAM和PIN結構的暗電流與反向偏壓的關系。從圖中可以看出，APIN的暗電流比SAM APD的低，而比PIN結構的高。摻雜濃度越高，器件的暗電流越大，相比PIN結構，APIN結構和SAM結構多了一層摻雜濃度較高的N層，所以它們的暗電流比PIN結構的要大一些，而APIN結構中的N層寬度是SAM結構的1/5，所以APIN結構的暗電流比SAM結構的小。同時，從圖中可以看出，APIN結構和SAM結構的擊穿電壓（分別是88V和117V）遠小于PIN結構的擊穿電壓（245V），這是由于摻雜濃度較高的N層的引入，而摻雜濃度越高，擊穿電壓越低，使得APIN結構和SAM結構可以在較低的電壓下觸發雪崩效應。APIN結構的擊穿電壓比SAM結構的小，則是由N層厚度不一樣引起的，APIN結構中N層厚度為0.5μm，而SAM結構中N層厚度為0.4μm，比APIN結構的小0.1μm。

圖3所示是4H-SiC APIN在不同的反向偏壓下的光譜響應曲線。有圖可知，反向偏壓從0V增大到87V時，峰值響應波長從270nm藍移到260nm。隨著反向偏壓的增大，器件的空間耗盡區變寬，在耗盡區吸收的光子數增加，使得耗盡區的光生載流子增多，并在電場的驅動下分別向器件的兩個電極移動，形成光電流，響應度隨之增大。紫外可見比表征了紫外探測器對可見光的抑制程度，其值越大越好。在反向偏壓為88.36V時，4H-SiC APIN的紫外可見比仍可達到5.3×102，這表明在高的反向偏壓下，器件對可見光仍有較好的抑制能力，即對紫外光有較好的探測性能。

圖4所示是4H-SiC APIN、SAM和PIN結構在（a）雪崩狀態（暗電流為1×10-10A/μm時對應的偏壓）和（b）5V反向偏壓下的相對光譜響應曲線。從圖4（a）中可以看出，在雪崩狀態下，三種結構的器件的響應度都差不多，但根據圖2，APIN具有更低的雪崩擊穿電壓，特別是跟PIN探測器相比。此外相比SAM APD，APIN的響應峰值向短波方向移動（藍移），同時在短波的響應度更高，更加有利于紫外波段的光探測。APIN作為APD使用時，其具有較小的倍增區域和較大的吸收區域，在實際制備器件中，出現由于材料缺陷引起的提前擊穿的幾率會小很多，同時又可以增大光敏面積，提高探測率。從圖4（b）中可以看出，APIN結構的響應度PIN結構的非常相似，只是值稍低一些。這是由于APIN結構中間的N層寬度是4μm，N層兩側共有16μm寬的區域則是PIN結構，所以在低偏壓下，其光譜響應度與傳統的PIN結構非常相似。同時從圖3中可以看出，APIN在低反向偏壓下的光譜響應曲線基本重疊在一起，即沒有內部增益。

本文結合傳統的SAM結構和PIN結構，設計了一種新結構（APIN）的4H-SiC紫外光電探測器，并應用ATLAS半導體模擬軟件它的反向I-V特性和光譜響應特性，并與傳統的SAM結構和PIN進行了對比。結果表明，APIN作為APD使用時，其具有較小的倍增區域和較大的吸收區域，在實際制備器件中，出現由于材料缺陷引起的提前擊穿的幾率會小很多，同時又可以增大光敏面積，提高探測率。相比傳統的SAM APD，APIN的響應峰值想短波方向移動（藍移），同時在短波的響應度更高，更加有利于紫外波段的光探測。此外，在低反向偏壓下，其具有類似傳統PIN結構的特性，有較高的響應度，且沒有內部增益。以上結果表明，APIN結構的4H-SiC紫外光電探測器具有較好的性能，可供制備實際器件作參考。

參 考 文 獻

[1]Xiaping Chen， Huili Zhu et al. High-performance 4H-SiC-based ultraviolet p-i-n photodetector[J]， J. Appl. Phys. 102， 024505 （2007）

[2]Feng Yan a， Jian H. Zhao， et al. Demonstration of the first 4H-SiC avalanche photodiodes [J]， Solid-State Electronics 44 （2000） 341-346