SOI基栅控横向PIN蓝紫光探测器温度特性研究
2019-02-22谢海情贾新亮黄茂飞李洁颖彭永达
谢海情，贾新亮，黄茂飞，李洁颖，彭永达，王 超，王 龙
(1.长沙理工大学 物理与电子科学学院，湖南 长沙 410114;2.湖南电子科技职业学院 机械与电子信息工程学院，湖南 长沙 410217)
0 引言
光探测器(PD)作为光信号读取器件，在光电子系统中起着关键的作用。蓝紫光探测器在蓝光存储、医疗卫生、环境监测等领域应用广泛[1]。随着CMOS工艺的发展，与CMOS工艺兼容的高性能、可光电集成的蓝紫光探测器成为目前的一个研究热点。
基于体硅CMOS工艺的光探测器都存在衬底漏电流和暗电流大及灵敏度低等缺陷。绝缘衬底上的硅(SOI)薄膜器件是在绝缘层上的半导体薄膜中制造器件，具有漏电流小，寄生电容小，无闩锁效应等优点，受到国内外研究者的高度重视，被视为21世纪的微电子技术。韩志涛等提出的SOI薄膜蓝紫光探测器，在450 nm波长时，响应度为0.348 A/W。在波长为900 nm时，响应度仅为0.054 A/W，能有效抑制长波光[2]。J. Chu等提出的SOI薄膜纵向PN结光电二极管，在波长为480 nm时，量子效率为69.6%[3]。但纵向PN结的输入阻抗小，不利于光电集成(OEIC)[4]。另外，暗电流、量子效率和频率响应之间的矛盾制约了光探测器性能的提高[5-6]。
谢海情等综合双极型光探测器、MOS光探测器和SOI薄膜器件的优点，提出基于SOI薄膜的透明电极栅控横向PIN光电二极管(LPIN PD-GTE)结构，能有效解决暗电流、量子效率和频率响应之间的矛盾，实现低暗电流、大量子效率和快频率响应，并获得大输入阻抗。在波长为400 nm时，暗电流达到皮安量级，响应度大于0.2 A/W，量子效率大于70%，-3 dB带宽为接近1 GHz[7-9]。
温度特性是光探测器的一个重要参数指标，其决定了光探测器正常工作的温度范围。温度的改变直接决定硅薄膜的本征载流子浓度和费米势，进而影响LPIN PD-GTE栅极电压的栅控作用，从而影响光探测器的光、暗电流，信噪比等光电特性。本文在前期研究工作的基础上，构建不同温度下栅极电压的解析模型，通过数值计算和软件模拟，验证模型的有效性。并进一步研究不同温度时LPIN PD-GTE的光、暗电流和信噪比(SNR)，探索温度对器件光电特性的影响规律。
1 器件结构与模型构建
本文研究的基于全耗尽SOI 薄膜的LPIN PD-GTE结构如图1所示，其中，K为阳极，G为栅极，A为阴极；Si薄膜厚度dSi=300 nm，P-区长度Li=20 μm，掺杂体积浓度NA=1015/cm3；P+和N+区的长为2 μm，掺杂浓度Nd均为1020/cm3。埋氧层厚度dbox=380 nm，沟道上方氧化层厚度dfox=10 nm，衬底Si厚度dsub=580 nm。
图1 LPIN PD-GTE结构图
前期研究工作构建的栅极电压解析模型为
(1)
式中：VGK为电极G、K之间的电压；φmsf、φmsb分别为硅膜正面和背面接触电势差；φsf为表面势;Qoxf、Qoxb分别为前、后SiO2层中的单位电荷量;Qdep为耗尽区的电荷量;CSi、Cox、Cbox分别为硅及前、背栅SiO2的单位电容。
在LPIN PD-GTE中，栅极电压控制硅薄膜耗尽而不反型，即φsf的范围为
φfp≤φsf≤2φfp
(2)
式中φfp为硅薄膜的费米势，即
(3)
式中：Ei为本征能级;EF为费米能级；k为玻尔兹曼常数；T为温度；ni为本征载流子浓度，其随温度变化的表达式为
(4)
式中：Eg(0)为T=0时的禁带宽度；α=4.73×10-4eV/K，β=636 K均为常数。
将式(4)代入式(3)可得φfp随温度变化的解析式为
(5)
φfp对T求导，可得
(6)
从式(1)、(3)可得不同温度下栅极电压的解析模型，当沟道表面弱反型时，即φsf=φfp,则有
(7)
当沟道表面强反型时，即φsf=2φfp,则有
(8)
2 结果与分析
采用MATLAB对解析模型进行数值计算，并采用SILVACO软件中的ATLAS模块对器件进行模拟仿真，验证模型的有效性。在此基础上，对器件的温度特性进行仿真，得到器件光电特性最优化的温度值。
当分别取-25 ℃、0、25 ℃、50 ℃、75 ℃温度值时，根据式(7)、(8)计算可得，沟道表面弱反型时的栅极电压分别为0.259 5 V、0.234 3 V、0.208 6 V、0.182 6 V、0.156 2 V；沟道表面强反型时的栅极电压分别为0.600 5 V、0.550 1 V、0.498 8 V、0.446 8 V、0.394 V。采用ATLAS软件进行模拟仿真，结果如图2、3所示。由图2、3可知，沟道表面弱反型时的栅极电压分别为0.248 V、0.246 V、0.245 V、0.243 V、0.242 V；沟道表面强反型时的栅极电压分别为0.62 V、0.59 V、0.56 V、0.53 V、0.5 V。
图2 不同温度下，表面弱反型时的纵向载流子浓度分布
图3 不同温度下，表面弱反型时的纵向载流子浓度分布
图4为弱、强反型时的仿真结果和计算结果的栅极电压值的对比图。
图4 计算结果与仿真结果的对比
通过图4中计算结果与仿真结果的对比可知，当温度上升时，强、弱反型所需的栅极电压值均减小。当温度较低时，计算结果与仿真结果拟合较好，当温度升高时，栅极电压的计算结果下降幅度比仿真结果大，这是由于在解析模型中忽略了背栅的影响。
当入射光波长为400 nm，强度为1 mW/cm2，反向偏压为1 V时，栅极电压为0～2 V，温度由-25 ℃上升到75 ℃，采用ATLAS软件对器件温度特性进行模拟仿真。
图5为器件沟道表面处本征载流子浓度随温度的变化曲线。当温度升高时，电子共有化运动加剧，能级分裂加剧，因此，允带变宽，禁带变窄，电子更易从价带跃迁到导带，所以本征载流子浓度随温度的升高而增大。
图5 不同温度下，沟道表面本征电子浓度
图6、7分别为LPIN PD-GTE器件的暗电流与光电流随温度的变化曲线。由图可知，暗电流随温度的升高而增大，而光电流的最大值随温度的变化不明显。
图6 暗电流随温度的变化曲线
图7 光电流随温度的变化曲线
由图6可知，栅极电压对沟道中载流子浓度的控制分3个阶段。当VGK
由图7可知，有入射光时，沟道中的载流子主要为光生载流子。温度升高时，沟道中的热激发少数载流子浓度增大，但仍远小于光生载流子浓度。随着热激发多数载流子浓度增大，复合率增大，电子寿命减小，所以光电流稍微减小。另外，随着温度上升，使沟道强反型时所需栅极电压值减小，所以使电流达到最大值的栅极电压值随温度的上升而减小。
SNR是体现光探测器灵敏度的重要参数。根据图6、7可得光、暗电流及SNR随温度变化，如表1所示。
表1 光、暗电流及SNR随温度变化
由表1可知，随着温度的增大，光电流的最大值几乎无变化，而暗电流增大明显。SNR随着温度的升高迅速减小，且达到峰值的栅极电压值也有明显增大。在温度为-25 ℃、栅极电压为1.44 V时，SNR达到最大值。
3 结束语
本文研究了温度变化对SOI基栅控横向PIN蓝紫光探测器光电特性的影响。构建栅极电压在温度影响下的解析模型，并验证模型的有效性；利用SILVACO软件中的ATLAS模块对器件的温度特性进行研究，得到本征载流子浓度，光、暗电流及信噪比等随温度的变化规律。结果表明，本征载流子浓度和暗电流随温度的升高而增大，温度对光电流的影响不明显，信噪比随温度的升高而减小。同一温度下，SNR随栅极电压的增大先减小后不变然后增大，直到达到最大值，而后迅速减小。在T=-25 ℃，VGK=1.44 V时，信噪比达到最大值(为6.11×105)，在T=75 ℃，VGK=2 V时下降为1.064 3×103。
