SiC SAM APD紫外探测器的模拟研究

刘 丽，何志伟

（商丘工学院 基础教学部，河南 商丘 476000）

SiC SAM APD紫外探测器的模拟研究

刘 丽，何志伟

（商丘工学院 基础教学部，河南 商丘 476000）

文中基于多种理论模型构建了4H-SiC SAM APD结构紫外光电探测器的基本物理模型。模拟研究了包括反向伏安特性、离化率、光谱响应在内的光电效应特性，并通过改变SAM结构各层厚度，得到了厚度与击穿电压、光谱响应的关系，从结果可以看出：减小P+层厚度、增大N、N+层厚度可有效增大光电流，提高探测器性能。

紫外探测器；4H-SiC；SAM APD；模拟研究；光谱响应

紫外线辐射是一种存在于自然界非肉眼可见的辐射，具有特殊的传输性，可用于众多方向的研究，因此催生了紫外探测器这一军民两用的光电探测技术。目前，紫外探测器已被广泛应用于医学工程、石油和矿物开采、雷达和通信、车辆运输、航天航空以及核能设备等各个方面[1-4]，其已成为人们身边不可或缺的技术。

紫外探测器主要有以下3个关键的特点[5]：1）紫外探测器无需在低温下工作，其在室温下依旧可正常工作，实现探测功能；2）紫外探测器对可见光和红外光是“日盲”，极好的防止其他光线的不利干扰，具有良好的准确性；3）紫外探测器拥有架构简单、响应速度较快、稳定性高等一系列优势。对于诸多新兴产业，迫切地需要能够快速检测微小信号的探测器，在这种环境下，紫外雪崩光电探测器（APD）以其纳秒量级的速度，百万倍的增益进入了国际视野[6-7]。现在仅有4H-SiC可基本满足APD的要求，因此需要对4H-SiC APD进行理论模拟研究，以指导4H-SiC APD的研发制造。

1 SAM APD光电探测器结构模型

对于4H-SiC材料而言，空穴注入倍增层可更好的抑制噪声，又因为需要重掺杂的倍增层使电场在该区域迅速降低。所以，感光层选取p+掺杂的半导体。n型掺杂半导体区域与p+型掺杂区域共同构成倍增层，在倍增层下部是光子吸收层。要实现同质结SAM APD结构必须使吸收层足够宽且掺杂浓度要低，保证正常工作时光子主要在吸收层被吸收，同时吸收层可以全耗尽作为空间电荷区的主要部分。于是，文中选取n-型掺杂半导体制作探测器的吸收层，最后n+层衬底制成欧姆接触，降低接触电阻，使外加电压集中在工作区域。综上所述，SAM APD紫外光电探测器的基础模型结构[8]如图1所示。

图1 SAM APD基础模型结构

文中采用Fortran95语言对器件模型进行仿真模拟。在实际模拟时，通过对比选取的是初始浓度为2×1018cm-3，厚度为 0.2 μm 的 p+层；浓度为 5×1017cm-3，厚度为 0.4 μm 的 n层；浓度为 1015cm-3，厚度为1 μm的n-层；浓度为1020cm-3，厚度为400 μm的n+层。

2 SAM APD光电探测器物理模型

漂移-扩散模型[9]是分析SAM APD结构的基础模型，亦是载流子输运的核心理论依据。对于光照条件下的器件，只考虑基础的漂移-扩散模型是不够的，需考虑光生载流子的影响。光生载流子是光电探测器的关键，而载流子的迁移率则极大程度影响了载流子的输运，在分析理想条件下的简单问题时，通常将载流子的迁移率看作常数进行运算，这样计算出的结果与实际情况相比，偏差较大，所以就需要引入迁移率模型[10-11]，增强计算模拟的准确度。带正电的空穴遇到带负电的电子，共同结合成不带电的系统，通常将该种非平衡载流子的消亡过程称为载流子的复合，文中只考虑两种主要的复合模型：俄歇复合和SRH复合。SiC中的杂质电离能比较高，不易充分地全部电离，载流子可能发生“冻析”效应，有必要考虑不完全电离模型。当雪崩倍增区的电场超过一定值时，载流子出现雪崩倍增，此时需考虑雪崩倍增模型[12-13]。

3 SAMAPD光电探测器模拟结果分析

3.1 暗电流及反向伏安特性

在模拟过程中，通过设定一定的入射光强（10-10J）和波长范围（200～380nm），以外加反向偏压为自变量得到光电流的电压-电流关系，作出相应的I-V曲线，即反向伏安特性曲线，如图2所示。图3可更清楚地看到击穿电压附近电流的变化。

图2 反向伏安特性

图3 SAM APD击穿电压附近的反向伏安特性曲线

通过图2和图3可看出，当外加反向偏压小于器件的击穿电压，光电流值较小，且变化不明显；当外加偏压达到击穿电压时，光电流出现一个剧增现象，迅速达到一个比较大的值。在没有入射光的情况下向器件外加反向偏压，得到器件暗电流。器件发生雪崩倍增之前的光电流、暗电流对比数据如表1所示。对比发现，当外加电压增大，暗电流和光电流均随之增大。同时，光电流明显大于暗电流，表示器件能实现较为准确的光探测功能[14]。

表1 光电流与暗电流对比数据

3.2 光谱响应

当入射紫外光的能量大于4H-SiC禁带宽度3.26 eV时，入射光子大部分会在吸收区被吸收产生光生载流子，之后在倍增区获得增益放大，最后在电场的驱动下，载流子定向运动以光电流的形式输出。在模拟仿真过程中，在200～380nm的波段，给予器件不同大小的反向偏压，得到光谱响应曲线如图4所示。

图4 光谱响应曲线

从图4中可以看出，随着电压的升高，光电流增大，当反向偏压达到击穿电压值时，光电流剧增，雪崩倍增前后光电流峰值从10-11A可增加到10-6A，增益达到105量级。不同电压下的峰值电流仿真数据结果，如表2所示。在波长约为260nm的位置处出现了一个吸收峰值，这是因4H-SiC吸收系数随波长的增大而减小。当波长小于260nm时，半导体的吸收系数会较大，吸收深度较浅，这样会使得入射光子在表面被大量吸收，无法进入半导体内部的转化成光生载流子，使光电转换效率大幅降低，光电流减小；当波长大于260nm时，又因吸收系数小，吸收深度过大，空间电荷区不足以完全吸收入射光子，故光电流会随波长的增大而减小[15]。

表2 电压与峰值电流关系

3.3 离化率

SAM APD结构与其他结构探测器最大的不同就在于器件内部可产生较高的增益，且倍增层与吸收层分离。离化率是衡量雪崩倍增效应的重要指标，其与电场强度联系紧密。图5和图6分别显示了吸收层与倍增层的空穴离化率变化趋势，电子离化率变化与其类似只是数值较小。

图5 吸收区空穴离化率

其中，为了和吸收系数α区分，纵坐标zp用来表示空穴电离率，横坐标为器件耗尽区的各点位置，每一条曲线对应一个电压值，两幅图选取相同电压。明显可以看到，电离率随电压的增大而增大；随着位置逐渐靠近倍增区，电离率的值越来越大且变化率也逐渐增大。在吸收层，电离率接近于0；在倍增层，电离率极速增大，当达到一定值时发生雪崩倍增。

图6 倍增区空穴电离率

3.4 SAM APD各层厚度对光电效应的影响

为了实现同质结SAM APD结构，每一层的厚度均有严格要求。倍增层过厚会吸收过多的光子从而削弱了吸收层作用，吸收层的厚度不当也会影响探测器的各方面性能。在此首先研究当各层宽度改变，雪崩击穿电压VBR的变化趋势。通过模拟编译得到如表3所示结果。

根据表3中数据可得出：1）P+层厚度增加，击穿电压基本不变，主要是因P+层是重掺杂，空间电荷区在该区所占比例较少，所以P+层的厚度变化对整体空间电荷区影响较小，也就对空间电荷区内电场影响不大，击穿电压与空间电荷区内电场紧密相关。所以，P+层厚度的变化对击穿电压影响并不明显；2）N层厚度增加，击穿电压减小，计算得到的空间电荷区电场分布如图7所示（图7中，xp是P+层空间电荷区宽度，dn、dn1分别是N层N-层厚度），这是因掺杂浓度的量级差别，倍增层电场下降较快，而吸收层下降速度较慢，若N层厚度增加（dn坐标向右移动），则在同样的条件下，电场会下降到更低的位置（浓度与斜率均不变）才进入吸收层，电场和位置坐标围成的面积表示电压，若N层厚度增加，则整个图形所围成的面积将减小，为了保证电压不变，电场峰值就需要增大，相应地击穿电压将会随之减小；3）N-层厚度增加，击穿电压增大，N-层作为吸收层，在器件正常工作过程中处于全耗尽状态，其的厚度是空间电荷区的主体部分。空间电荷区增大，电压一定的条件下，电场峰值降低，所以击穿电压升高。

表3 SAM结构各层厚度对击穿电压的影响

图7 空间电荷区电场分布

3.5 厚度对光谱响应的影响

光谱响应曲线能最直观地表现探测器的光电响应性能。SAM结构各层厚度的改变势将改变器件的光谱响应，分别模拟改变各层厚度对器件的影响，如图8至图10所示。

具体分析每层产生的影响及其原因：1）P+层的厚度增大，光电流减小，主要原因是P+层是非耗尽层，在该层被吸收的光子即使转换成光生载流子，大多数在到达空间电荷区之前便会被复合掉，所以不能参与形成光电流，当P+层厚度增加，意味着更多的入射光子将会在P+层被吸收，随后产生的光生载流子被复合掉，使光电流减小；2）N层的厚度增大，光电流也增大，从电场分布中可看出，外加电压几乎全部施加在N层上，使得N层电场强度较大。所以，N层是倍增层，载流子在该层发生雪崩倍增效应，该层厚度增加就意味着发生雪崩倍增效应的区域增大，自然增大了光电流的值；3）N-层的厚度增大，光电流也增大，N-层是吸收层，正常情况下处于全耗尽状态，是光子转化成电子的有效区域，该层厚度增加，可使器件吸收更多的入射光子，产生更多的光生载流子，从而有效的输出光电流。此外，伴随输出光电流的增大，光谱响应峰值位置向长波方向移动[16-17]。

图8 改变P+层厚度的光谱响应族

图9 改变N层厚度的光谱响应族

图10 改变N-层厚度的光谱响应族

综上所述，可得到：减小P+层厚度、增大N、N-层厚度能提高量子效率和响应度，增大光电流，有效提高SAM APD结构紫外光电探测器性能。

4 结束语

4H-SiC因其良好的电学、光学性能已被认为是最适宜制作紫外光电探测器的半导体材料之一。文中根据探测器性能要求搭建了SAM APD结构模型，考虑了漂移-扩散模型、雪崩光伏特性、迁移率模型、复合模型、不完全离化模型和倍增因子模型，用fortran语言编写了SAM APD结构特性，在这些因素的共同影响下进行了模拟研究。分别讨论了紫外探测器的反向伏安特性、离化率、光谱响应的特性，得到了合理的结果。又进一步优化结构，改变SAM结构中各层的厚度，研究了P+、N、N-各层厚度对器件击穿电压和光谱响应的影响，得出了每一层厚度与光电流的关系。最终结果显示减小P+层厚度、增大N、N+层厚度可有效增大光电流，提高探测器性能。对今后的SAM APD紫外探测器的研究有重要意义。

[1]HaoYue， Peng Jun， Yang Yintang.Wide Bandgap Semiconductor Technology ofSiC[M].Beijing:Science Press，2000.

[2]Leimeng Sun， Xinghui Wang， Kang Zhang， et al.Bi-functionalelectrode forUV detectorand supercapacitor[J].NanoEnergy， 2015（15）:445-452.

[3]Abbas M.Selman，Z.Hassan.Growth and characterization ofrutile TiO2nanorodson various substrates with fabricated fast-response metalsemiconductor-metal UV detector based on Si substrate [J].Superlattices and Microstructures，2015（83）:549-564.

[4]Guohua Liu， Min Zhang， Dezhong Zhang， et al.Ultrahigh responsivity UV detector based on TiO2/Pt-doped TiO2multilayer nanofilms [J].Journal of Alloys and Compounds，2014（616）:155-158.

[5]E.Monroy， F.Omnes， F.Calle.Wide-bandgap semiconductor ultraviolet photodetectors[J].Semicond.Sci.Technol.，2003（18）:33-51.

[6]杨伟锋，蔡加法，张峰，等.一维阵列MSM 4H-SiC紫外光电探测器的研制[J].半导体学报，2008，29（3）:570-573.

[7]蔡加法，吴正云.4H-SiC基紫外光电探测器的研究进展[J].量子电子学报，2014，31（4）:489-501.

[8]郭浩.4H-SiC SAM-APD结构紫外探测器的研究[D].西安:西安电子科技大学，2009.

[9]ISE TCAD Release 10.0 User’s Manual.

[10]S.G.Muller，R.C.Glass， H.M.Hobgood，et al.Progress in the industrial production of SiC substrates for semiconductor devices [J].Mater，Sci.Eng.， 2001，80:327-330.

[11]M.Razeghi.Short-wavelength solar blind detectorsstatus， prospects， and markets[C]//Proc.IEEE.2002，60（2）:1006-1014.

[12]Hassan Hamad，Christophe Raynaud，Pascal Bevilancqua，et al.Temperature dependence of 4HSiC ionization rates using Optical Beam Induced Current[J].2015：821-823，227.

[13]钟林瑛.吸收层与倍增层分离结构的4H-SiC雪崩光电探测器的优化模拟[D].厦门:厦门大学，2011.

[14]Xiaping Chen， Weifeng Yang， Zhengyun Wu.Visible blind p-i-n ultraviolet photodetector fabricated on 4H-SiC [J].Microelectronic Engineering，2006（83）:104-106.

[15]王丽玉，谢家纯，胡林辉，等.碳化硅紫外探测器的研究[J].中国科学技术大学学报，2003，33（6）:683-687.

[16]张子川，韩和同，管兴胤，等.基于反射滤光方法的氟化钡快响应γ射线探测技术[J].现代应用物理，2013（3）：225-231.

[17]范超.基于信息论准则的高光谱波段选择方法[J].电子设计工程，2014，22（1）：149-152，155.

Simulation study of SiC SAM APD ultraviolet detector

LIU Li，HE Zhi-wei
（Basic Teaching Department，Shangqiu Institute of Technology，Shangqiu 476000， China）

The paper constructs a basic physical model of the 4H-SiC SAM APD structure ultraviolet photodetector based on a variety of theoretical models.Simulation study including some photoelectric effect characteristics such as bias I-V characteristic，ionization rate and spectral response.The relationship between the thickness with the breakdown voltage and the spectral response is obtained by changing the thickness of each layer of the SAM structure.Eventually，an important conclusion is obtained:Decreasing P+layer's thickness and increasing N and N+layer's thickness can effectively increase the photocurrent and enhance the performance of the detector.

UV detector；4H-SiC；SAM APD；simulation study；spectral response

TN99

：A

：1674－6236（2017）15-0026-05

2016-08-10稿件编号：201608076

2015年河南省教育技术装备和实践教育研究立项课题（GZS134）

刘 丽（1981—），女，河南商丘人，硕士研究生，讲师。研究方向：激光物理，半导体物理与器件。