氮化镓基雪崩探测器暗电流机制的仿真研究

孙佳佳

[摘 要]暗电流是影响氮化镓（GaN）雪崩光电探测器性能的一个关键性因素。课题组通过工具软件Sentaurus？鄄TCAD对GaN基雪崩探测器暗电流机制进行了仿真研究，对其暗电流的主要机制：扩散电流、复合电流、隧穿电流、雪崩倍增电流以及表面复合电流进行了总结与分析。将仿真得到的雪崩探测器暗电流特性与实验数据进行对比，发现它们具有很好的吻合性，为学生对GaN探测器暗电流特性的学习和仿真研究提供参考和借鉴。

[关键词]器件模拟仿真；GaN基雪崩探测器；暗电流机制模型

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）12-0042-05

目前，紫外探测技术在民用和军事领域的需求越来越高，并成为继红外和激光技术之后又一军民两用的光电探测技术。[1]高灵敏度的紫外探测器以及紫外探测器材料因而也逐渐成为研究的热点。GaN基材料由于其具有很高的熔点以及较好的化学稳定性，成为在恶劣环境下工作的器件材料。此外通过改变其三元合金AlGaN中的Al组分，可以实现禁带宽度的调节（3.4eV～6.2eV），覆盖200nm以上的紫外波段，这使得GaN成为理想的紫外探测器材料。[2]GaN基探测器由于其工作原理和结构的不同又分为：MSM型、PIN型和SAM型等，其中目前使用较为广泛的PIN探测器结构如图1所示。

影响光电探测器性能的因素有很多，探测器在没有光照时，其内部由于热电子发射等原因也会产生自由载流子，它们能够在电场的作用下形成电流，这种在无光照时产生的电流称为暗电流。[3]器件的暗电流是一种噪声信号，也是影响探测器性能的一个主要因素[4]，因此为了提高光电探测器性能，需要对暗电流机制进行深入的研究。

一、器件结构和材料参数

在Sentaurus？鄄TCAD软件的器件结构编辑模块中创建背照射型GaN p？鄄i？鄄n探测器器件模型。如图2所示，在衬底上依次定义了三层外延层，自下而上分别为0.6μm厚n型层（掺杂浓度为2×1018cm-3），0.2μm厚非故意掺杂的i型层（掺杂浓度为1×1016cm-3）以及0.15μm厚p型层（掺杂浓度为2×1017cm-3），此外在器件的上表面定义了一层500nm厚的Si3N4钝化层。仿真中根据GaN材料的特性编写其材料的参数文件，并将参数文件导入器件仿真模块中，GaN材料部分参数如表1所示。

二、暗电流机制模型

GaN基探测器总的暗电流一般包括了以下成分：扩散电流、复合电流、隧穿电流以及表面漏电流。对于雪崩探测器而言，总的暗电流除了上述类型的暗电流之外还包括了由雪崩倍增主导的电流。[5]不同类型的暗电流根据其作用机制，在不同的条件下对总的暗电流产生贡献，其中扩散电流、复合电流、隧穿电流以及雪崩倍增电流的机制如图3所示。GaN基雪崩探测器暗电流仿真主要的模型参数如表2所示。

对探测器暗电流的仿真主要通过Sentaurus？鄄TCAD中器件物理仿真模块来实现。通过调用电子与空穴的连续性方程来计算载流子的漂移扩散以及产生与复合过程。连续性方程表达式为：

其中Jn，Jp分别为电子和空穴的密度；n，p为电子和空穴的浓度；G为载流子生成速率；R为载流子复合速率；q为电荷量。

1.扩散电流

扩散是半导体中载流子从高浓度区域向低浓度区域的输运过程。光电探测器一般工作在零偏或是反向的偏压下，内部将产生一定宽度的耗尽区。耗尽区内由于內建电场的作用几乎没有可以自由移动的载流子，而在耗尽区外由于少数载流子存在浓度差做扩散运动产生扩散电流。

2.复合电流

半导体中载流子的复合过程主要有3种[6]：间接复合（SRH recombination），俄歇复合（Auger recombination）以及辐射复合（Radiative recombination）。

SRH复合主要是由于半导体材料在其生长过程中存在一定程度的缺陷。对于GaN基器件GaN/AlGaN材料体系由于晶格失配和热失配产生的缺陷密度达到108～1011cm-2，当器件工作时，材料中的缺陷在半导体表面和内部形成陷阱。[7][8]另外，由于陷阱类型的差异（受主型和施主型）形成复合中心对不同类型的载流子进行俘获。如图4所示，缺陷形成了复合中心Et，电子和空穴能够被该复合中心俘获或是重新发射，因而也产生了与SRH复合相关的电子空穴寿命。

3.隧穿电流

当逐渐提高器件两端的反向偏压（未达到雪崩临界电场），势垒区的内建电场逐渐增强，P区价带顶将高于N区导带底产生隧穿通道，电子从价带通过隧穿通道进入导带形成隧穿电流。隧穿电流根据其不同的隧穿过程又分为直接隧穿和陷阱辅助隧穿，其中陷阱辅助隧穿主要是由于在半导体内部结面处，尤其是异质结存在大量的缺陷形成陷阱区域。这些陷阱在半导体中形成中间复合能级，能够对隧穿过程的电子产生俘获和重新发射的作用。

直接隧穿过程主要发生在结区域，由于掺杂类型在这里突变从而产生较强的势垒，此外GaN/AlGaN异质结器件一般会在异质结区域诱导产生极化电荷，使得结区域产生很强的局域电场。仿真采用与电场相关的隧穿模型模拟直接隧穿的过程，直接隧穿机制主导的暗电流载流子的生成速率Gb2b为：

陷阱辅助隧穿主要与缺陷产生的陷阱电荷状况有关，仿真时将陷阱辅助隧穿的载流子寿命引入SRH复合模型的载流子寿命中，模拟陷阱电荷对隧穿过程产生的影响。通过表达式可知，陷阱辅助隧穿寿命的引入将会导致SRH复合寿命的降低。此外陷阱辅助隧穿过程会导致陷阱截面产生一定程度的扩大，可以通过将陷阱辅助隧穿因子引入陷阱俘获截面的表达式中来模拟这一过程。陷阱辅助隧穿作用后的载流子寿命τ以及陷阱电荷的俘获面积σ为：

4.雪崩倍增电流endprint

随着器件两端所加反向偏压继续增大，器件内部的耗尽区进一步扩大并处于很高强度的电场之下，在内电场的作用下载流子获得的加速作用越来越强，动能增大。当内电场逐渐达到雪崩的临界电场时，高速运动的载流子在运动过程中撞击晶格，使价电子从晶格中挣脱形成自由的电子空穴对。而新产生的电子空穴在电场的作用下同样获得加速作用撞击晶格产生电子和空穴，这样的过程使得耗尽区内的载流子数量急剧增加，形成雪崩倍增机制主导的暗电流。

仿真采用离化模型模拟雪崩倍增的过程，雪崩倍增主导的暗电流载流子的生成速率Gava为：

5.表面漏电流

半导体材料在生长过程中，器件的表面相较于体内更容易产生缺陷，具有高密度缺陷的器件表面会产生许多局域的复合能级形成表面态。一般探测器表面漏电流的组成主要有：表面复合电流、表面隧穿电流以及表面沟道电流。[11]表面电流的组成其实很复杂，尤其是其主要作用在表面的一个相对狭窄的区域，这样增加了器件仿真时的计算难度，更容易出现仿真计算时不收敛的问题。通常情况下在低电场下主要考虑表面复合电流，而在相对的高电场下表面的隧穿电流逐渐增强。

三、结果与讨论

根据上述的暗电流机制物理模型以及GaN基材料的参数，通过Sentaurus-TCAD软件对GaN基雪崩探测器进行器件模拟和数值计算。如图6所示，将仿真得到的暗电流特性曲线与文献[12]中制备得到的GaN基雪崩探测器暗电流的实测数据进行对比。实验中测试得到的暗电流由于测试系统本身存在极限电流产生误差，因而当探测器外加反向偏压低于20V时出现抖动。而当偏压大于20V时仿真得到的暗电流与实验得到的暗电流基本吻合，反向偏压增加至75V左右时器件发生雪崩击穿。通过实验表明，采用器件仿真的方法能够很好的对GaN基雪崩探测器的暗电流机制进行分析和研究，而对于更加复杂的探测器结构和作用机制，还需要我们进一步的研究和学习。

[ 参 考 文 献 ]

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[責任编辑：钟 岚]endprint