不同电极间距AlN基3D-MSM紫外探测器设计与仿真

摘 要：金属-半导体-金属（metal-semiconductor-metal，MSM）紫外探测器在紫外杀毒、光纤通信、导弹追踪和航空航天等方面具有广泛的应用。根据传统MSM紫外探测器设计了一种基于氮化铝（aluminum nitride，AlN）的3D结构器件（3D-MSM），然后设计了不同电极间距（1、5、10和15 μm）MSM器件和3D-MSM器件，并采用APSYS仿真软件分析了AlN基传统MSM器件和3D-MSM器件光电流、暗电流、响应度、时间光电响应及外量子效率等性能参数对器件性能的影响规律。仿真结果表明，采用3D结构后，器件内部电场分布及载流子迁移路径发生变化，器件的响应度得到加强，响应时间缩短，而电极间距越大，3D-MSM器件的光电性能相对于MSM器件的改善越显著。

关键词：金属-半导体-金属；AlN；3D；紫外探测器；响应度

中图分类号：TN23""" 文献标志码：A

Design and simulation of AlN-based 3D-MSM UV detectors with different electrode spacings

Abstract： Metal-semiconductor-metal （MSM） UV detectors are commonly employed in various fields， including UV antivirus applications， optical fiber communication， missile tracking， and aerospace. A 3D-MSM UV detector utilizing aluminum nitride （AlN） was designed based on the traditional MSM architecture. This study created MSM and 3D-MSM detectors with varying electrode spacings of 1， 5， 10， and 15 μm and utilized APSYS simulation software to analyze how different performance parameters—such as photocurrent， dark current， responsivity， photoelectric response time， and external quantum efficiency—affect the performance of both AlN-based traditional MSM detectors and 3D-MSM detectors. The simulation results indicate that the introduction of the 3D structure modifies the internal electric field distribution and the carrier migration path within the device， resulting in improved responsivity and reduced response time of detectors. Moreover， the data suggest that the larger the electrode spacing， the more pronounced the enhancement in the photoelectric performance of the 3D-MSM detector compared to that of the traditional MSM detector.

Key words： metal-semiconductor-metal; GaN; AlN; 3D; UV detector; responsivity

紫外探测器广泛应用于太空探索、辐射监测、导弹制导以及紫外杀菌等领域。金属-半导体-金属（metal-semiconductor-metal，MSM）紫外探测器相比于雪崩光电二极管（avalanche photodiode，APD）和正-本征-负（positive-intrinsic-negative，PIN）探测器，其量子效率更高，响应速度更快，且结构简单，易于制作，适用于光电子集成电路和高速光纤通信系统等领域[1]。传统半导体材料受自身禁带宽度低、难以耐受高温高压环境的限制，在光电子领域中的应用也受到了很多制约。Ⅲ族氮化物半导体（GaN、AlN）相较于其他半导体材料拥有更宽的禁带、高热导率和高绝缘性等优势[2-3]，三元合金AlGaN通过调节成分中Al的含量，可以实现自身的禁带宽度在3.4～6.2 eV之间的变化[4]，因此，氮化铝（aluminum nitride，AlN）材料可以用于制备高响应度、高灵敏度的紫外探测器[5]。MONROY等[6]首次成功制备了一种抑制比达到104数量级可见光盲的MSM型紫外探测器。这一成果揭示了MSM结构探测器在高度抑制比和快速响应方面的显著优势。由此，MSM结构逐渐转变为AlGaN基紫外探测器研究的焦点。房万年等[7]研究了不同电极间距对MSM型紫外探测器件的探测性能的影响，电极间距的增加增大了器件的感光面积，促进了器件的光电流。梁瑶等[8]的研究表明在GaSe光电探测器中，电极间距的减小有利于增大器件的响应度和开关比。在传统MSM器件的基础上，经过结构的优化设计和仿真结果的深入分析，能够确定最合适的器件结构参数。同时，还可以将此方法应用于其他类型器件中，从而提高其性能。Apsys、Silvaco TCAD、Comsol等均适用于对半导体器件的仿真分析。在仿真过程中可以通过仿真软件调整和优化器件各项参数，获取器件各项性能指标，并将其用于MSM器件的结构优化和电流密度评估，以此提高器件的性能[9-13]，并且能够得到不同掺杂条件以及不同器件结构参数下的器件光电性能变化规律[14-15]。从载流子动力学方面分析，仿真计算可以得到AlN材料的带隙宽度和高饱和速度[16]。已有的关于MSM器件研究主要集中在研究材料制备方式、掺杂以及表面修饰对器件性能的影响，相较于以往的MSM器件研究，采用了一种全新的3D结构。3D结构可以改善器件的电场分布和载流子迁移路径，增加光生载流子收集效率，从而提高器件的光电响应性能。

1 仿真结构与理论模型

1.1 仿真结构

AlN基MSM探测器的仿真结构如图1（a）所示，器件表面积设置为400 μm×400 μm，衬底采用蓝宝石材料。在蓝宝石衬底上生长一层1.5 μm厚的AlN薄膜，并在AlN薄膜上制作对称金属电极。设定AlN材料禁带宽度参数为6.2 eV，基于传统MSM结构设计了一种3D-MSM器件，掺杂浓度设为1×1014 cm-3，这种3D结构能够有效地增强MSM器件的性能，其结构见图1（b），仿真过程中所有的3D-MSM器件的刻蚀深度均采用0.5 μm。由于3D-MSM器件的金属电极沉积在AlN材料上，这种结构可以对AlN材料中光生载流子的迁移路径进行优化，并且在一定程度上改善器件内部的电场分布，进而达到增加器件的光电响应特性的目的。在对不同电极材料AlN基MSM器件和3D-MSM器件进行仿真分析的过程中，统一设定器件的电极间距为15 μm，对称电极的材料选择Ni-Ni，光功率密度为5 μW/cm2。考虑到实验过程中可能存在隧穿效应，本模型适用于非故意掺杂半导体材料器件。

1.2 理论模型

在MSM器件中，金属与半导体接触界面的势垒高度在一定程度上决定了MSM器件的光电性能，因此，对金属与半导体（MS）接触面势垒高度进行了设置。对于理想的MS接触，金属侧电子会向半导体侧转移，引发能带弯曲，直至费米能级相平[7]，金属与半导体形成的势垒高度qφns为

qφns=Wm－χ（1）

式中：Wm为金属功函数（Ni功函数为5.1 eV）；χ为AlN材料的亲和势（一般为0.6 eV）。

一般来说，MSM紫外探测器的暗电流主要来自于热电子发射，由半导体进入金属的电子所形成的电流密度Jst为

式中：A*为有效理查逊常数，A/（cm2·K2）。

光电流大小可以根据式（3）确定：

式中：A为器件受光面积；A*为有效的理查逊常数；φb为肖特基势垒高度；Δφb为φb在一定条件下的减少；q为电子电荷；V为施加的电压；n为理想因子；Iλ为主电流。

紫外探测器响应度R可以通过式（4）计算：

式中：Id、Pin和A分别为暗电流、入射光功率密度和器件受光面积。

外部量子效率可以通过式（5）计算：

式中：Popt为光功率；h是普朗克常数；v是光频率。

2 仿真结果与分析

2.1 传统MSM紫外探测器仿真分析

采用上述方法，在-20～20 V的电压扫描下对MSM紫外探测器的主要参数进行了仿真。根据AlN材料参数和电极接触势垒高度，估算出器件耗尽区宽度为1 μm左右，电极间距选择为1～15 μm。图2（a）为MSM器件的暗电流的仿真结果，仿真结果显示，在20 V的偏压下，随着电极间距从1 μm增加到15 μm，器件的暗电流由5×10-11 A逐渐减少至2×10-12 A，这一结果表明，随着电极间距的增加，器件暗电流显著减小。这一现象可以解释为，由于AlN材料的光生载流子寿命仅为10-8 s，不利于收集光生载流子，同时，过大的电极间距会导致半导体材料单位面积上的电场强度降低，进一步导致暗电流减小。图2（b）展示了MSM器件在-20～20 V电压扫描下的光电流仿真结果，在20 V的偏压下，电极间距的增加导致光电流明显减小，电极间距从1 μm增加到15 μm时，器件的光电流从2.6×10-8 A减小到1.8×10-9 A。这同样是由于电场强度的减弱不利于光生载流子的收集，因此造成光电流减小。

由图2（c）可以看出，在8 V偏压条件下，所有MSM器件在197 nm波长处都表现出了最高的光响应度，并且在200 nm波长时急剧下降。数据分析表明，当电极间距从1 μm增加到5 μm时，光响应度的变化不显著；然而，当电极间距进一步增加到15 μm时，光响应度对比其他间距显著下降。具体来看，当电极间距分别为1、5、10和15 μm时，对应MSM器件的光响应度分别为56、55、40和34 mA/W。

在图3（a）中展示了不同电极间距MSM器件的时间-光电响应特性，当光源开启后，可以观察到，随着电极间距的减小，稳态光电流显著增加。具体来说，在电极间距从1 μm增加到15 μm的情况下，MSM器件的开/关电流比从2.75×103 A急剧减小到80 A。这一现象可以解释为，随着电极间距的增加，器件能够收集到的光生载流子数量大幅度减少。由图3（b）可以看出，MSM器件的外量子效率与其光响应度具有相似的变化规律，这一现象可以解释为AlN材料禁带宽度对应的吸收光波长约为200 nm，因此，MSM器件在200 nm波长附近外量子效率急剧下降。具体来看，在器件电极尺寸从15 μm减小到5 μm的过程中，小于200 nm光波长的外量子效率显著提升，提升大约10%。然而，当电极尺寸进一步从5 μm减小到1 μm时，外量子效率仅提升1%。这可能是因为电极间距小于5 μm时，除了因材料缺陷损失和迁移过程中复合损失外，其他的光生载流子几乎全部被电极收集，所以，进一步减小电极间距对器件光电性能的提升作用不再显著。

在MSM器件中，施加于两个电极之间的等值外部驱动电压会因电极间距的不同而形成强弱不等的电场。在一定载流子浓度下，电场强度的提升能够显著增加光生载流子的收集效率。图4展示了具有4种不同电极间距的MSM器件的电场强度分布情况。可见，电压主要集中于两个电极间的AlN层和正电极下的AlN材料中，这归因于AlN的高电阻特性。从图4可见，在10 V偏压作用下，随着电极间距的增加，电场强度分布逐渐从两个电极之间转移至电极下方，并且在光照表面以下0～200 nm的吸收层内，AlN材料中的电场强度减弱。因此，电极间距的减小会导致电场强度增强，这有利于促进光生载流子的收集。

2.2 不同电极尺寸和电极间距3D-MSM器件性能分析

在3D MSM器件的仿真过程中，电极间距设置与传统MSM器件保持一致，刻蚀深度保持为0.5 μm。如图5（a）和5（b）所示，在20 V偏压作用下，随着电极间距从15 μm减少到1 μm，暗电流从6×10-12 A增加到1×10-10 A，光电流从2.1×10-9 A增加到3.5×10-8 A。与传统的MSM器件相比，3D-MSM器件在光电流与暗电流方面均有显著提升，这得益于金属电极在AlN中的沉积，这一设计有效地优化了3D-MSM器件的内部电场分布，并改善了光生载流子在AlN材料中的迁移路径。图5（c）和5（d）分析了不同电极间距的3D-MSM器件外量子效率和光响应度的关系。由图5可以看出，3D-MSM器件的光响应度和外量子效率的变化趋势与传统MSM器件非常相似。如图5（e）所示，当电极间距为1 μm时，3D-MSM器件与传统MSM器件的光响应度大致相当，但随着电极间距不断增大，3D-MSM器件的光响应度方面相较于传统MSM器件展现出了明显的优势，在电极间距达到15 μm时，3D-MSM器件的光响应度较传统MSM器件提升了27%。

在8 V的恒定偏压下，当电极间距从1 μm逐渐增加到15 μm时，如图6所示，光响应时间和弛豫时间都呈现出明显的增长趋势，3D-MSM器件的光响应时间从0.65 ns增加到8.80 ns，弛豫时间从0.94 ns增加到8.10 ns。这一现象可以解释为随着电极间距的增加，电场强度降低，而当载流子的迁移速率保持恒定时，迁移路径与响应时间成正比。因此，随着电极间距的增大，载流子的迁移路径变长，进而使得响应时间增加。此外，当光源关闭后，由于电极间距的增加大，AlN中残留的光生载流子数量增多，使得器件难以达到暗场静态电流，延长了弛豫时间。

通过对比4种不同电极间距MSM器件和3D-MSM器件的光响应时间和弛豫时间，由图7可以看出，无论是MSM器件还是3D-MSM器件均具有非常迅速的光响应时间和弛豫时间。然而，由于3D-MSM器件的3D结构器件内部电场分布及载流子迁移路径发生变化，显著提高了光生载流子收集效率，随着电极间距缩短到1 μm，在8 V的偏压下，3D-MSM器件的光响应时间最高可以缩短38.1 %，而光响应弛豫时间最高可缩短55.2 %。这些优势使得3D-MSM器件相较于传统MSM器件展现出更为卓越的性能。

3 结论

本文设计了一种AlN基3D-MSM紫外探测器，通过改变MSM器件和3D-MSM器件的电极间距（1、5、10和15 μm），利用APSYS仿真软件分析AlN基传统MSM器件和3D结构器件（3D-MSM）光电流、暗电流、响应度、时间光电响应及外量子效率等性能参数对器件性能的影响规律。仿真结果表明，在电极间距达到15 μm时，3D-MSM器件的光响应度相较于传统MSM器件光响应度提高了27%，这是由于3D结构的引入改变了MSM器件中光生载流子的迁移路径，显著增强了电极间电场强度。这些改进共同增强了器件响应度，并缩短了器件响应时间，同时随着电极间距的减小，3D-MSM器件相对MSM器件光电性能提升更加显著。同时，随着电极间距缩短到1 μm，8 V偏压下的光响应时间最高可以缩短38.1%，光响应弛豫时间最高可缩短55.2%。

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