二极管光生电流影响因素的仿真研究

刘承芳，孙 鹏，高吴昊，夏 云，左慧玲，陈万军

（1.电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都 610054；2.中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心，成都 610200；3.中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳 621999）

1 引言

在某些应用场景中（如航空航天、太空探测以及核电站维护等）会存在光辐照，当光与半导体材料相互作用时，会发生电离效应，产生载流子。以硅二极管为例，根据二极管的光电池原理[1]可知，如果不撤掉光照，此时的二极管将与一个独立的电源类似，可以源源不断地为外电路提供电流，这存在两方面的问题：一会导致器件的误开启，二会额外增加器件的功耗。这意味着全部基本元器件的工作性能将会受到显著的影响，在严重的情况下可能会影响系统的性能，导致系统永久性失效，因此更加深入了解器件光辐照效应的重要性日益凸显，其中器件的光生电流是体现器件光辐照响应的重要因素之一。此外，研究学者进行光辐照仿真的时候，选取的波长通常较大，该波长范围下的本征吸收迅速下降，为了更好地了解器件的光辐照响应，就必须对本征吸收限以下的光照波长进行分析研究。

文章通过二维仿真模拟光照环境，对硅二极管光生电流的影响因素进行分析研究，从光吸收作用出发，然后选取合适的光照模型，在不超过硅材料本征吸收限的光照波长范围中，对光照波长、外加电压、光照强度等影响因素进行仿真研究，扩大了光照波长的研究范围，为进一步研究硅器件的光辐照响应奠定了良好的基础。

2 光辐照响应仿真

2.1 基本结构参数与模型

仿真所用的二极管耐压约为60 V，器件初始参数及连接方式如表1、图1所示，阳极（Anode）下方为P型掺杂，阴极（Cathode）下方为N型掺杂。阴极接高电位DC，阳极处串联两个阻值均为1 kΩ的电阻R1、R2；电压稳定后，光沿y轴方向垂直表面入射。仿真涉及的模型包括温度模型Thermodynamic、俄歇复合模型auger、包括了杂质和载流子间散射的迁移率模型phumob、界面处迁移率退化模型enormal以及光照模型Optics。

表1 器件参数

图1 器件结构及连接示意图

2.2 光作用过程

当光照通过半导体时，会发生光的吸收，出现光的衰减现象；通常情况下，半导体材料能够强烈地吸收光能，当光能足够大时，价带上的电子会挣脱价带的束缚，从价带跃迁至导带，产生电子空穴对，即本征吸收；实际上并不是吸收的能量全部用来产生电子空穴对，当材料掺杂浓度很高的时候，材料内部会发生自由载流子吸收，这种吸收形式并不会产生电子空穴对，它会让材料的温度迅速上升。在进行仿真的时候，电路参数（如偏置、电阻值等）可以利用sentaurus中的system语句来定义。光照参数利用excitation语句来定义：语句中，光照波长直接用wavelength表达，默认单位为μm，光照能量对应的参数是Intensity，它表示单位体积所包含的能量大小；其余参数值（如入射角度以及光照时间）保持固定，光照参数具体数值的选取范围如表2所示，从表2中可以看出，为了考察硅材料本征吸收限以内光生电流的影响因素，光照波长并未超过1.1 μm。另外，通过改变parameter文件中的参数确定自由载流子吸收模型，文献[2-5]对相关参数的选取过程进行了说明。

表2 光照参数

当光照射半导体时，载流子数量急剧增加，产生等量的电子和空穴；由于阴极接高电位，空穴在电场作用下往阳极运动形成空穴电流，电子往阴极移动形成电子电流，总电流增加；当光照撤去以后，不断进行电子和空穴的复合，载流子数量减小，电流开始下降。实际仿真结果如图2所示。图2(a)～(d)分别给出了光照前后电子数量随时间的变化图：(a)加光之前P+区电子数量较少；(b)加光之后P+区电子数量增加，N+区颜色加深；(c)和(d)分别为光照撤去20 ns及100 ns之后电子的浓度分布图，从图中可以看出，P+区电子浓度减小，N+区颜色逐渐变浅，意味着电子数量也在逐步减小。

图2 光照前后电子数量随时间的变化

2.3 影响二极管光生电流的因素

光与二极管相互作用时会形成光生电流，影响器件的工作性能，甚至有可能导致微电子系统的失效，因而进一步研究器件的光生电流就变得很重要。影响二极管光生电流的因素主要有：(1)光照波长，它与吸收系数直接相关，吸收系数随着波长的变化而改变，光生电流的变化趋势与吸收系数的变化一致；(2)光照强度，当波长确定以后，光照强度越大，二极管能够吸收的能量增加，从而影响光生电流的大小；(3)掺杂浓度，当半导体掺杂浓度很高的时候，自由载流子吸收将会占很大比例，可能会导致本征吸收减小，从而让光生电流减小；(4)外加偏置，光照环境确定，当光生电流流过外接负载时，使得阳极电位上升，由于负载一定，电位上升趋势与光生电流上升趋势相同，并且在外加负载的情况下，电流值的大小和电位值的大小相关，因此需要考察外加偏置对光生电流的影响。

2.4 光辐照仿真

通过TCAD二维仿真，考察二极管电路中光生电流的变化趋势，器件掺杂浓度保持不变，在不超过硅材料本征吸收限的光照波长范围内，对二极管光生电流的影响因素进行了仿真研究，并给出了相关结论。

2.4.1 外加电压对光生电流的影响

为了考察外加偏置对光生电流的影响，分别选取了5 V和10 V这两种偏置；光波长1.064 μm，光照强度 10～1×108W/cm2,光照时间 5 ns。初始情况下，阴极接高电位，阳极串联2个电阻R1、R2并接地，待电压稳定后进行光照，光生电流从阳极流出并经过负载。仿真结果如图3所示，图中分别代表外加5 V、10 V的情况下，光生电流随着光照强度的变化曲线。从图3中可以看出，初始时刻的光生电流均随着光照强度呈线性上升，当光照强度继续增加时，光生电压达到最大值，光生电流趋于饱和。

图3 不同偏置下光生电流随光照强度的变化曲线

在光辐照情况下，产生光生载流子并形成光生电流I，阳极电压VA=I×R，随着电流的增加，阳极电位也会相应提高；当光照强度较小时，光生电流随着光照强度的增加呈线性增长，当光照强度继续增加时，光生电流趋于稳定，阳极点电位达到饱和，并且这两种情况下的阳极-阴极两端的电位差均在0.8 V左右，这个数值与该二极管的内建电势差相当，说明无论外加偏置多少，二极管阳极-阴极两端电位差不超过该二极管的内建电势差，当电位达到最大值的时候，光生电流也趋于饱和，就算光照强度继续增加，光生电流值也保持不变。这意味着当光波长在本征吸收限以内时，光生电流最大值与光照强度无关，一旦器件两端电位差达到了硅二极管的内建电势差，光生电流就会达到饱和。

2.4.2 光照强度对光生电流的影响

光照之前，二极管处于反向偏置状态，漏电流很小；加上光照后，二极管吸收光能产生光生载流子，形成光生电流，而光照强度的大小会直接影响吸收的能量大小；因此，为了考察光照强度对光生电流的影响，选取了较大的光强度范围：10～1×108W/cm2；波长、光照时间以及入射角度保持不变，外加负载以及偏置一定。仿真结果如图4所示，给出了不同光强度下光生电流随着时间的变化曲线，当光强度较小时，光生电流随着光强度的增加而上升，经过一段时间后达到最大值，当光照强度继续增加时，光生电流值上升速度增加并且迅速到达峰值；对此，图5给出了光照强度在1×104～1×108W/cm2的情况下，电流达到峰值时所需的时间，从图中可以看出，当光照强度超过1×106W/cm2时，光生电流上升至最大值的时间大约在1 ns左右。

图4 不同光强下光生电流随时间的变化曲线

图5 光生电流上升时间

理论上，在光辐照期间，不断产生电子-空穴对，电流会不断增加直到撤掉光照，实际上电流会达到一个饱和值，这说明在不断产生电子-空穴对的过程中，复合过程也在进行；载流子数量并不是与光照时间呈线性关系，当光产生载流子数量与复合数量相等时，光电导达到饱和，光生电流也达到最大值；另外，当光照强度特别大的时候，光电导达到饱和的速度越快，因为此时载流子浓度很高，电子空穴的寿命减小，即两者的复合速度加快。光辐照撤去之后，不产生光生载流子的来源，随着电子空穴在不断地进行复合，电流会缓慢下降，说明不论加光与否，只要载流子浓度增加，电子空穴的寿命就会减小，复合随之加快。

2.4.3 光照波长对光生电流的影响

光照波长会影响吸收系数，从而改变器件光生电流的大小。为了考察处于硅材料本征吸收限之内的光照波长对光生电流的影响，选取了4组不同的值：0.266 μm、0.532 μm、0.86 μm 以及 1.064 μm。光照强度范围、入射角度以及光照时间不变，外加偏置和负载一定。仿真结果如图6所示。当波长不变时，光生电流随着光照强度先增加后趋于饱和，当光照强度不变时，光生电流先增加后减小；为了让结果更加可观，选取了光照强度在1×103W/cm2下光生电流随光照波长的变化曲线，如图7所示，从图中可以看出，随着光照波长的增加，光生电流先增加后减小。

图6 不同波长下光生电流随光强的变化曲线

图7 相同光强下光生电流随波长的变化曲线

理论上，随着光照波长的减小，吸收系数会随之增加，光生电流应该增大，说明当光波长不超过硅材料的本征吸收限时，随着光照波长的减小，吸收系数先增加后减小，光生电流也呈现先增加后减小的趋势；还存在一个可能的因素：随着光照波长减小，单个光子的能量增加，在光照强度一定的情况下，产生的光子数量减小，能够吸收的光子数量也降低，从而导致光生载流子数量减小，光生电流减小。

3 结果及讨论

器件的光辐照响应会影响器件的工作性能，严重情况下可能会导致系统永久性失效，进一步研究器件的光生电流就变得很重要，在不超过硅材料本征吸收限的光照波长领域中，对二极管光生电流的影响因素进行了仿真研究，得出如下结论：

光辐照情况下，光生电压不会超过该二极管的内建电势差，一旦两端电势差与内建电势相等，电流值达到饱和，此时光生电流与光照强度无关；光照强度增加，光生电流上升速度增加，因为光强度很高时，载流子浓度增加，载流子复合率增加，产生与复合很快达到平衡，说明电子空穴的复合速度与光照强度无关，只要浓度增加，复合速度就会加快；当光照波长减小，光生电流先增加后减小，说明当光波长不超过硅材料的本征吸收限时，随着波长的减小，吸收系数先增加后减小；另外，随着光照波长的减小，单一光子能量增加，总能量不变，能产生载流子的有效光子数目减小，从而让光生载流子减小。

4 结论

由于之前研究的光波长大且范围广，几乎都超过了硅材料的本征吸收限，本文针对该现象，将光照波长范围减小至本征吸收限以内，并进行了仿真研究，扩大了光照波长的研究范围，为进一步研究器件的光辐照响应奠定了良好的基础。

本文在研究时选取的节点跨度较大，且忽略了环境因素；在以后的工作中应更加细致，将更全面的因素纳入考量范围，让结果更加精确；另外，目前只考察了二极管光生电流的变化趋势，其他半导体元器件光生电流的变化情况还需进一步研究。

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