Mg2Si濃度對Mg2Si/Si異質結光電探測器性能的影響*

沈文 吳九九 高云 冀慎統 陳德良 余宏

(貴州師范學院物理與電子科學學院,貴州貴陽 550018)

0 引言

Mg2Si是一種間接帶隙半導體材料,擁有0.1-0.8eV的帶隙寬度,其0.5-1.5um波段適合做光電子器件[1]。2007年Atanassov等人利用離子束合成的方法制備了Mg2Si,依據拉曼光譜和紅外透射譜,獲得了Mg2Si/Si異質結的能帶圖[2]。2013年Konstantin N.Galkin與Nikolay G.Galkin等人通過MBE的方法獲得了Si/2D Mg2Si/Si(111)雙異質的肖特基結構[3]。2016年廖楊芳等采用磁控濺射技術制備出玻璃襯底Mg2Si/Si異質結,結果表明:玻璃基板上的Mg2Si薄膜的PL強度遠大于Si(111)基片上的Mg2Si膜[4]。本文采用Atlas模塊構建了p-Mg2Si/n-Si異質結光電探測器模型,研究了不同Mg2Si濃度對Mg2Si/Si異質結光電探測器的反向擊穿電壓、正向導通電壓、響應度、噪聲等效功率等性能的影響,并分析了其仿真結果。仿真結果可以用于指導環境友好型Mg2Si/Si光電探測器的制備工作。

1 模型

在Atlas模塊二維網格上建立p-Mg2Si/n-Si異質結光電探測器模型,依次對模型區域、電極、摻雜、材料進行定義。選用SRH復合模型、AUGER復合模型、低電場遷移率模型。建立器件的連續性方程和泊松方程,再利用牛頓迭代算法,從而得到器件各種輸出的解,并分析其光電特性。p型Mg2Si的寬度為1μm,厚度0.38μm,濃度依次為1x1015cm-3、5x1015cm-3、1x1016cm-3、5x1016cm-3、1x1017cm-3。n型Si寬度1μm,厚度0.5μm,摻雜濃度1x1017cm-3。陽極材料為Au,寬度0.2μm,厚度0.1μm。陰極材料為Ag,寬度1μm,厚度0.1μm。

圖1 無光照條件下不同Mg2Si濃度的Mg2Si/Si異質結光電探測器反向I-V曲線Fig.1 Reverse I-V curves of Mg2Si/Si heterojunction photodetector with different Mg2Si concentration under no light conditions

2 結果與討論

2.1 I-V曲線

無光照條件下,Mg2Si/Si異質結光電探測器的電壓反向偏置時,不同Mg2Si濃度器件輸出的I-V曲線如圖1所示。隨著Mg2Si濃度的增加,Mg2Si/Si異質結光電探測器的反向擊穿電壓VBR并沒有發生變化,其值為20V。Mg2Si濃度不影響Mg2Si/Si異質結光電探測器的反向擊穿電壓。

光照條件下Mg2Si/Si異質結光電探測器的正向電壓從0v增加到25V時,其I-V曲線計算結果如圖2所示。異質結光電探測器的正向導通電壓為0.54V,小于硅光電探測器的導通壓降0.6～0.8V。Mg2Si濃度基本不改變異質結光電探測器的正向導通電壓。Mg2Si/Si異質結光電探測器具有典型的光電探測器單向導通特性。

2.2 響應度

響應度定義為在入射光的光照條件下,異質結光電探測器的輸出光電流IP與入射光功率P的比值。不同Mg2Si濃度條件下Mg2Si/Si異質結光電探測器響應度曲線如圖3所示。入射光波長從400nm增加到1500nm時,不同Mg2Si濃度Mg2Si/Si異質結光電探測器響應度隨入射光波長的增加而先增加后減小。當入射光在685nm附近時,不同Mg2Si濃度Mg2Si/Si異質結光電探測器響應度均達到最大值。

2.3 噪聲等效功率

噪聲等效功率定義為1Hz輸出帶寬(0.5s積分時間)內使器件的信噪比等于1時的入射光功率值。不同Mg2Si濃度的Mg2Si/Si異質結光電探測器的噪聲等效功率曲線如圖4所示。隨著Mg2Si濃度的增加,Mg2Si/Si異質結光電探測器的噪聲等效功率依次減小。入射光波長為685nm時,不同Mg2Si濃度的Mg2Si/Si異質結光電探測器的噪聲等效功率均達到最小值。

圖2 光照條件下不同Mg2Si濃度的Mg2Si/Si異質結光電探測器的正向I-V曲線Fig.2 The forward I-V curves of Mg2Si/Si heterojunction photodetector with different Mg2Si concentrations under light conditions

圖3 不同Mg2Si濃度的Mg2Si/Si異質結光電探測器響應度曲線Fig.3 The responsivity curves of Mg2Si/Si heterojunction photodetectors with different Mg2Si concentrations

圖4 不同Mg2Si濃度的Mg2Si/Si異質結光電探測器噪聲等效功率曲線Fig.4 The noise equivalent power curves of Mg2Si/Si heterojunction photodetector with different Mg2Si concentrations

3 結語

Mg2Si是一種環境友好型半導體材料,組成元素硅和鎂地層含量豐富、價格便宜,同時該材料對環境無污染、抗氧化和耐腐蝕。其0.4-1.5um波段適合做光電子器件,Mg2Si成為新一代硅基電子器件的熱門備選材料。本文設計并了Mg2Si/Si光電探測器的芯片結構,研究了不同Mg2Si濃度對Mg2Si/Si光電探測器的光電性能的影響。仿真計算結果表明:Mg2Si濃度不影響Mg2Si/Si異質結光電探測器的反向擊穿電壓和正向導通電壓;不同Mg2Si濃度Mg2Si/Si異質結光電探測器響應度隨入射光波長的增加而先增加后減小;隨著Mg2Si濃度的增加,Mg2Si/Si異質結光電探測器的噪聲等效功率依次減小;入射光波長為685nm時,不同Mg2Si濃度的Mg2Si/Si異質結光電探測器的噪聲等效功率均達到最小值。該研究對后續Mg2Si/Si光電探測器的制備奠定了良好基礎。