结合雪崩和PIN特性的4H—SiC紫外光电探测器的模拟

钟金祥　吴正云　洪荣墩

【摘要】 紫外波段的光探测器具有广阔的应用前景，本文结合传统的吸收-倍增-分离（SAM）和PIN结构，设计了一种新结构（APIN）的4H-SiC紫外光电探测器，模拟了其光电特性，并与传统的SAM和PIN结构的光电探测器进行了对比。结果表明其在雪崩状态下具有类似于SAM 结构的雪崩光电探测器（APD）的特性，在低反向偏压下具有类似于PIN光电探测器的特性，为实际器件的制备提供参考。

【关键词】 4H-SiC 紫外光电探测器 SAM PIN

紫外光电探测器在导弹预警、环境监测、火灾检测等方面拥有广泛的应用，成为近年来光电探测领域的研究热点之一。4H-SiC材料具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度快、击穿场强高等众多优点，使其成为制备紫外光电探测器的理想材料。4H-SiC紫外光电探测器具有低漏电流、高的量子效率、抗辐射和耐高温等优点。目前4H-SiC紫外光电探测器一般有四种结构：金属-半导体-金属（MSM）结构、肖特基势垒结构、PIN光电二极管结构、以及雪崩光电二极管（APD）结构。雪崩光电二极管（APD）具有灵敏度高、响应速度快和响应带宽大等优点，一直受到人们的广泛关注，其主要应用于微弱信号和单光子探测。PIN结构在低工作电压下，具有较快的响应速度、较高探测率和较低的噪声等优点，但对微弱信号响应度低。

本文基于传统的PIN结构[1]和吸收-倍增-分离（SAM）结构[2]的4H-SiC紫外光电探测器，设计了一种新结构的4H-SiC紫外光电探测器，并将其命名为APIN。应用ATLAS半导体模拟软件，对其的光电特性进行了模拟，并加以分析。器件的结构如图1（a）所示，在20μm宽的N+衬底上面有一层1μm厚的N?层，在N?层上面的中间是厚度为0.5μm、宽度为4μm的N层，在N层上面和两侧覆盖了一层厚度为0.15μm的P+层。P+、N、N?和N+层的掺杂浓度分别为2.0×1019cm-3， 5.0×1017cm-3， 3.0×1015cm-3和2.0×1019cm-3。在模拟过程中，光照是垂直入射到器件表面上并均匀照射在器件表面上。同时，对传统的SAM结构和PIN结构的4H-SiC光电探测器也做了模拟，以作对比分析，结构如图1（b），（c）。SAM结构中P+、N和 N?的厚度分别为0.15μm、0.4μm、和1μm；PIN结构中P+和N?的厚度分别为0.15μm和1μm。SAM结构以及PIN结构中的各层的掺杂浓度与APIN结构的相同。

图2给出了4H-SiC APIN、SAM和PIN结构的暗电流与反向偏压的关系。从图中可以看出，APIN的暗电流比SAM APD的低，而比PIN结构的高。掺杂浓度越高，器件的暗电流越大，相比PIN结构，APIN结构和SAM结构多了一层掺杂浓度较高的N层，所以它们的暗电流比PIN结构的要大一些，而APIN结构中的N层宽度是SAM结构的1/5，所以APIN结构的暗电流比SAM结构的小。同时，从图中可以看出，APIN结构和SAM结构的击穿电压（分别是88V和117V）远小于PIN结构的击穿电压（245V），这是由于掺杂浓度较高的N层的引入，而掺杂浓度越高，击穿电压越低，使得APIN结构和SAM结构可以在较低的电压下触发雪崩效应。APIN结构的击穿电压比SAM结构的小，则是由N层厚度不一样引起的，APIN结构中N层厚度为0.5μm，而SAM结构中N层厚度为0.4μm，比APIN结构的小0.1μm。

图3所示是4H-SiC APIN在不同的反向偏压下的光谱响应曲线。有图可知，反向偏压从0V增大到87V时，峰值响应波长从270nm蓝移到260nm。随着反向偏压的增大，器件的空间耗尽区变宽，在耗尽区吸收的光子数增加，使得耗尽区的光生载流子增多，并在电场的驱动下分别向器件的两个电极移动，形成光电流，响应度随之增大。紫外可见比表征了紫外探测器对可见光的抑制程度，其值越大越好。在反向偏压为88.36V时，4H-SiC APIN的紫外可见比仍可达到5.3×102，这表明在高的反向偏压下，器件对可见光仍有较好的抑制能力，即对紫外光有较好的探测性能。

图4所示是4H-SiC APIN、SAM和PIN结构在（a）雪崩状态（暗电流为1×10-10A/μm时对应的偏压）和（b）5V反向偏压下的相对光谱响应曲线。从图4（a）中可以看出，在雪崩状态下，三种结构的器件的响应度都差不多，但根据图2，APIN具有更低的雪崩击穿电压，特别是跟PIN探测器相比。此外相比SAM APD，APIN的响应峰值向短波方向移动（蓝移），同时在短波的响应度更高，更加有利于紫外波段的光探测。APIN作为APD使用时，其具有较小的倍增区域和较大的吸收区域，在实际制备器件中，出现由于材料缺陷引起的提前击穿的几率会小很多，同时又可以增大光敏面积，提高探测率。从图4（b）中可以看出，APIN结构的响应度PIN结构的非常相似，只是值稍低一些。这是由于APIN结构中间的N层宽度是4μm，N层两侧共有16μm宽的区域则是PIN结构，所以在低偏压下，其光谱响应度与传统的PIN结构非常相似。同时从图3中可以看出，APIN在低反向偏压下的光谱响应曲线基本重叠在一起，即没有内部增益。

本文结合传统的SAM结构和PIN结构，设计了一种新结构（APIN）的4H-SiC紫外光电探测器，并应用ATLAS半导体模拟软件它的反向I-V特性和光谱响应特性，并与传统的SAM结构和PIN进行了对比。结果表明，APIN作为APD使用时，其具有较小的倍增区域和较大的吸收区域，在实际制备器件中，出现由于材料缺陷引起的提前击穿的几率会小很多，同时又可以增大光敏面积，提高探测率。相比传统的SAM APD，APIN的响应峰值想短波方向移动（蓝移），同时在短波的响应度更高，更加有利于紫外波段的光探测。此外，在低反向偏压下，其具有类似传统PIN结构的特性，有较高的响应度，且没有内部增益。以上结果表明，APIN结构的4H-SiC紫外光电探测器具有较好的性能，可供制备实际器件作参考。

参 考 文 献

[1]Xiaping Chen， Huili Zhu et al. High-performance 4H-SiC-based ultraviolet p-i-n photodetector[J]， J. Appl. Phys. 102， 024505 （2007）

[2]Feng Yan a， Jian H. Zhao， et al. Demonstration of the first 4H-SiC avalanche photodiodes [J]， Solid-State Electronics 44 （2000） 341-346