基于硅微孔阵列自滤光肖特基二极管光探测器的研究

张涛，于永强

（合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥，230601)

0 引言

近红外光探测器在临床诊断、治疗设备等生物医学领域具有广阔的应用前景，而随着微纳技术的发展，硅微孔陷光结构对红外响应有突出的作用。相较于其他硅微纳结构结构，例如硅纳米线、硅槽等，硅微孔结构有着更大的比表面积，从理论上可以吸收更强的光，而且其结构成凹状，能够更有效的避免光的“逃脱”[1]。近些年石墨烯作为超薄二维层状材料，因为其突破了低迁移率的瓶颈而在光电器件方面的应用引起热潮，硅衬底与石墨烯形成较大的接触面积，这对于肖特基势垒的形成起到至关重要[2]。本文利用Silvaco TCAD三维仿真设计出光谱可调的Si MHs/Gr肖特基二极管窄带近红外光探测器，将硅微孔阵列的低反射率、高吸收率和载流子传输路径短等优势与二维材料石墨烯（Gr）相结合为高性能光电探测器的研究提供了新的思路[3-4]。

1 光电二极管仿真及制备

■1.1 光电二极管仿真

Silvaco TCAD是一款现今市面上为数不多能够提供给芯片代工厂最完整解决方案的软件，有着独一无二的优点。Silvaco TCAD中的三维仿真工具能够更清晰地模拟半导体器件中的电学、光学以及热学行为，用以简单方便地分析半导体器件的直流、交流及时域响应等信息等；Devedit 3D作为器件编辑器，可以通过点线面将器件的三维结构生动形象地展现出来；TCAD仿真组件都可以在集成环境Deckbuild中调用，输出的结果通过TonyPlot 3D实时显示出来[5]。

图1 (a)是器件的三维结构及其光场分布仿真图，通过对光场分布进行降维处理，截取其中一个面深入探究。光场分布与入射光的波长息息相关，如图1(b) 所示，模拟出入射光波长为780nm、808nm、980nm、1064nm时，光探测器的光场分布。从图中可以看出波长光780nm、808nm时，光只能照射在器件顶部，当波长光为980nm时，光子能够到达器件中部。而当光探测器被1064 nm波长的入射光照射时，光子能穿透器件到达底部。而且硅孔处的光子能量要强于平面部分。图1(c)是器件的载流子产生率仿真结果，其中硅孔处的产生率要远远强于平面硅部分。

图1

■1.2 器件制备

基于Silvaco TCAD仿真结果，本文在硅衬底上刻蚀出硅微孔阵列，通过利用硅孔陷光结构来优化器件响应性能。其中硅微孔阵列刻蚀工艺如下：

首先取出大小为1×1 cm2、厚度为500 μm、电阻率为1-10 Ω·m的N型轻掺硅片，依次在丙酮、酒精、去离子水中超声清洗10 min；其次将硅片置于匀胶机上均匀滴上正性光刻胶（AZ-6210）以500rpm 低速旋转10s，3000rpm高速旋转30s，待匀胶完成后将其放入100°C的烘胶机上，烘5 min；然后将硅片放置在曝光机中曝光15s，并显影11s完成光刻；最后利用ICP刻蚀工艺刻蚀出整齐排列的硅微孔阵列，将其放入正胶去膜剂中清洗5 min，完成硅孔阵列的制备[6-7]。

图2(a)是硅孔的深宽比和SEM图，可以看出硅孔刻蚀工艺十分完善，刻蚀出的硅孔图形规整，排列均匀，没有杂质。图2（b）是硅微孔阵列和平面硅的归一化吸收光谱，从图上发现硅对800nm到1000nm光波的吸收很强，而且硅微孔阵列比平面硅的吸收要强的多，与期望结果相同，证实了硅孔陷光结构可以加强对近红外光的吸收。为了进一步探究硅孔对光吸收的影响，其器件制备如下：

图2

石墨烯凭借高收集率、良好的导电性能等优异的类金属性质常作为电极的首选。且其跟硅衬底形成肖特基势垒，本文将刻蚀后的硅片作为衬底，通过湿法转移石墨烯完成底电极装配，铟镓共晶均匀涂在硅微孔阵列表面作为顶电极，完成器件制备[9-10]。然后在其上下表面分别装配顶电极和底电极完成光电探测器的制备，器件制备流程如图3所示。

图3 器件制备流程

2 光电探测器的性能研究

当光照射在Si/Gr SD器件表面时，硅会吸收掉一部分光子，而更多的光子被硅反射掉，这在光的吸收率以及载流子生成率上都造成了极大的浪费。为了减少这部分的浪费，本文在Si/Gr SD器件的基础上，通过在硅表面刻蚀出整齐排列的圆孔，通过对硅表面进行微纳加工，制备出整齐的硅微孔排列，即陷光结构。光照射在硅孔内部，同样会将光子反射出去，这时被反射的光子再次照射到硅孔内壁的表面，形成二次照射，如此重复加大了对光子的收集，进而增强光的吸收[9]。Si MHs/Gr SD窄带近红外探测器的结构如图 4所示。

图 4 Si MHs/Gr SD光探测器结构示意图.

光电特性是影响光电探测器的性能的主要因素，其中特性参数主要包括光谱响应、响应度、探测率、响应速度等[10]。

■2.1 光谱响应

光谱响应是指光阴极量子效率与入射波长之间的关系，可以展示光电探测器对不同波长入射光能有效转换成电能的能力，其常用的单位为安培/瓦(A/W)。器件内部价带电子吸收足够多的光子能量，从而越过带隙跃迁至导带，形成光生电子空穴对，即光生电流。所以探测波长与半导体材料的禁带宽度有关[11]。推导公式如下：

其中h是归一化的普朗克常数，Eg是半导体材料的禁带宽度（eV），c是指光束，λ是截止波长。本文对器件的结构进行优化，将结区做在底部采用背光式照射方法来实现窄带探测。

Si MHs/Gr SD器件的归一化光谱响应如图5所示，器件具有明显的窄带近红外响应，因为短波长的光照射到器件上被硅表面吸收，光生载流子很难被电极收集，对电流贡献很小。将实验结果与silvaco TCAD仿真结果对比发现，光谱响应曲线大致吻合，响应波峰均在 1064 nm 附近，半峰宽约为 96 nm。

图5 Si MHs/Gr SD器件的光谱响应曲线与仿真结果对比.

■2.2 响应度与探测率

响应度(Responsivity，R)是衡量光电探测器光能转化成电能效率的物理量。一般用光电探测器的输出信号与入射光的功率之比来描述。响应度R越大表示该光电探测器的性能越好。其计算公式如下：

式中的Ip是器件的光电流，Id是器件暗电流，P是入射光的功率。

探测率（Detectivity，D）是衡量光电探测器探测能力的重要参数，其计算公式可以表示如下：

式中Id是光电探测器的暗电流，R为光电探测器的响应度，q为电荷量。从公式可以看出探测率D的值与响应度有很大关系，响应度R越大，探测率D越大。计算响应度和探测率往往需要先测试出光电探测器的电流输出信号，即I-V特性曲线和I-T特性曲线[12]。

图6(a)为Si MHs/Gr SD 光探测器在无光照和 1064 nm 光照下的 I-V 曲线，从图中可以看出Si MHs/Gr SD器件具有优异的整流特性，并且在1064 nm波长光的照射下出现了明显的光响应电流。图6(b)、(c)分别为Si MHs/Gr SD在相同功率不同波长以及相同波长不同功率的 I-V 曲线对比，发现该器件只对近红外光有响应，且随着光功率的增大而增大，并在1064nm处趋于稳定。图 6(d)是Si MHs/Gr SD与平面硅基器件的I-T特性曲线对比，可以明显看出在1064 nm光照下Si MHs/Gr SD的光电流比平面硅基器件大一个数量级。这是因为硅微孔陷光结构加强了器件对近红外光的收集，在结区内建电场的作用下，有利于分离光生载流子，形成较大的光电流。通过对比说明了硅微孔结构能够很大幅度地增强对近红外光的吸收，进而提高了近红外响应性能。

图6

图6(e)是Si MHs/Gr SD器件和Si/Gr SD器件的响应度曲线。从图中可以看出在紫外和可见光波段两个器件均无响应。而在近红外光照下Si MHs/Gr SD器件的响应度比Si/Gr SD器件大一个数量级以上。图 6(f)是Si MHs/Gr SD器件在1064 nm波长光照下的响应度和探测率曲线，在-1V偏压下响应度达到0.39 A/W，探测率高达3×1012Jones。这也体现了该器件强大的近红外光响应性能。

■2.3 响应速度

本文对Si MHs/Gr肖特基结光电探测器的响应速度进行了系统研究。图7(a)为不同脉冲光频率（frequency，f）下的归一化响应，从中可以看出Si MHs/Gr SD器件的-3dB 带宽（BW）约为1.9 kHz。图7(b)为 f=1kHz 、1.9kHz和 7 kHz 下的时间响应曲线，可以发现器件在这些脉冲光频率照射下具有稳定的响应，光电响应信号几乎没有衰减。为了获取器件的响应时间，选择在带宽范围内的脉冲光频率获得的时间响应，如图7(c)，从中可以估算Si MHs/Gr SD器件的上升时间和下降时间，分别是58 μs和196μs，这与当前报道的硅基光电探测器件的响应速度要快得多。

图7

3 总结

本章通过三维仿真、光刻、刻蚀、石墨烯转移、电极装配等步骤制备出硅微孔陷光结构与石墨烯相结合的Si MHs/Gr肖特基结窄带近红外光探测器。通过测试系统地表征了该器件的光电特性，获得如下成果：

(1)通过silvaco TCAD中的三维仿真工具Devedit 3D设计Si MHs/GrSD光探测器，并分析仿真结果得出硅微孔阵列的光场分布、产生率都远远强于平面硅。

(2)因为硅微孔陷光结构对近红外光在结构上的高收集率，本文通过三维仿真、光刻、刻蚀、石墨烯转移、电极制备等方式制备出Si MHs/Gr 肖特基结光探测器。制备的Si MHs/Gr SD光探测器对窄带近红外（980nm、1064nm）有优异的光响应特性，响应波长范围约为800-1200 nm，其光响应波峰在1064 nm附近，半峰宽约为96 nm。

(3)硅微孔陷光结构提高了对光的收集，相对于平面硅响应度和探测率高7倍以上，-1V偏压下，响应度和探测率分布高达0.39 A/W和3×1012Jones，远远超过普通硅基光电探测器。而且光探测器的光学带宽（-3dB）为1.9 kHz，响应时间为58 μs。

Si MHs/Gr SD窄带近红外光探测器为微纳结构在光电探测器上的应用提供了参考的价值。