硅肖特基结自滤波窄带近红外光探测器的研究

刘 浩,徐 艳,宋龙梅,夏 宇,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

光电探测器就光谱响应范围内的宽度而言可分为宽带和窄带光电探测器,虽然宽带光电探测器能够探测到较宽的光谱范围(从红外、可见光到紫外甚至X射线),而窄带光电探测器只能感知一个小光谱范围的光即只对特定波长的光具有响应,但却具有很强的色彩辨别能力,只用于检测特定波长内的光[1]。其中,近红外光探测器因对特定波长有很高的灵敏度,在临床诊断、治疗设备或可穿戴的功能性监测设备等生物医学领域具有广阔的应用前景[2-3],但通常面临高成本滤光片以及复杂光学系统设计和集成等诸多问题。通常有如下4种方法来进行窄带光电检测:① 将光学滤波器与宽带光电探测器相结合;② 使用具有窄带吸收特性的吸收器;③ 通过等离效应增强选定波长范围内的吸收;④ 通过电荷收集变窄来控制外部量子效率(EQE)[4-7]。因此,研发一种结构简单、易集成的高性能窄带近红外光探测器具有重要的意义。硅基光电探测器因具有与微电子工艺有着良好的兼容性,易于实现大面积集成而广泛应用。近年来,硅/石墨烯肖特基二极管广泛用于构建光伏和高性能光电探测器,原因如下:① 这种简单的器件结构易于在平面硅上实现,肖特基结的势垒可以通过控制硅的浓度进行调控;② 硅/石墨烯肖特基二极管与成熟的平台硅工艺兼容,具有将光探测器和读出电路集成的潜力。当前报道的硅/石墨烯肖特基二极管光电探测器都是宽光谱响应,对窄带响应有待于深入研究[8-9]。本文首次采用Silvaco TCAD设计了光谱可调的硅/石墨烯肖特基二极管窄带近红外光探测器,并利用湿法转移石墨烯电极构建了硅/石墨烯肖特基二极管,光电特性表征发现,器件具有自滤光的、可见光盲的近红外窄带响应。

1 器件仿真及窄带响应机制分析

1.1 器件建模

Silvaco TCAD是一款常用的半导体工艺仿真和器件仿真工具,可以实现一维、二维和三维工艺和器件仿真。Silvaco TCAD可以实现光探测器的光学特性和器件的电学特性(电流-电压特性)有效地结合,通过求解器件物理模型可得到光照时光探测器光强分布、电场分布以及光谱响应[10]。

(1) 进行器件结构的定义,在DevEdit中构建二维硅/石墨烯肖特基二极管器件模型,并网格化,如图1所示。

图1中,上电极为欧姆接触电极,下电极为肖特基接触电极,根据石墨烯的功函数进行肖特基接触定义。

图1 硅/石墨烯肖特基二极管器件建模图

(2) 在ATLAS进行器件仿真,入射光以90°角入射,通过求解泊松方程、连续方程、产生复合模型和Shockley-Read-Hall(SRH)复合模型获得器件的光谱响应及光场分布。

泊松方程描述静电势和空间电荷密度的分布,其表达式为:

div(εψ)=ρ

(1)

其中:ψ为静电势;ε为介电常数;ρ为空间电荷密度。电子和空穴的连续性方程定义如下:

(2)

(3)

其中:n、p分别为电子和空穴浓度;Jn、Jp分别为电子和空穴的电流密度;Gn、Rn分别为电子的产生率和复合率;Gp、Rp分别为空穴的产生率和复合率。

SRH复合模型表示为:

(4)

其中:nie为有效本征载流子浓度;RSRH为SRH复合率。

(3) 利用TonyPlot对仿真结果进行查看和分析。

1.2 窄带响应机制分析

硅的带隙为1.12 eV,光谱吸收范围在300～1 100 nm之间。光在半导体中的光强为:

I=I0e-αx

(5)

其中:x为半导体的厚度;I0为入射到半导体表面光强;α为吸收系统,大小和光的强度无关。吸收系数随波长变化而变化,根据硅的吸收[11],因为紫外-可见光的吸收系数为103～105,近红外光的吸收系数为0.1～1.0,所以绝大部分短波长的光将被硅表面吸收,产生光生载流子在被电极收集之前而被大量复合;近红外光因具有很好的穿透能力,可达到硅的背面,如图2所示。在构建器件过程中,将肖特基结置于器件底部,为实现自滤波的窄带光探测的设计方法,可利用硅的吸收特性过滤可见光等短波长部分,位于器件背面的肖特基结可分离近红外光激发的光生载流子,实现窄带近红外探测。

图2 硅/石墨烯肖特基二极管窄带近红外响应分析示意图

2 器件制备及测试

基于上述器件仿真结果,实验制备硅/石墨烯肖特基结光电探测器,并对器件的光电特性进行研究。器件制备主要包括石墨烯转移、欧姆接触顶电极制备。首先用高温胶带作为掩模在预处理的SiO2(80 nm)/n型Si(≈1 800 Ω/cm)衬底上选定一个直径为5mm的光刻胶窗口;然后选择含有5%HF的BOE溶液去除SiO2层300 s;接着将化学气相沉积合成的石墨烯转移到Si基片上作为底部肖特基接触电极,并固定在PCB板上;最后选择In/Ga电极作为欧姆接触顶电极,均匀涂在硅片上,形成直径为5 mm的入射光窗口,将顶电极及底电极通过银丝引出,并固定在PCB上,器件的结构示意图如器件机制分析(图2),选用石墨烯电极与硅构建的肖特基结置于器件的底部。采用Keithley 4200-SCS/F半导体特性分析系统测试硅/石墨烯肖特基二极管的电学特性,包括没有光照下和光照下的电流-电压特性(I-V曲线)。器件的光谱响应由氙灯(150 W)、单色仪(Ommi-λ300)、锁相放大器(SR830)和斩波器(SR540)等构建的测试系统测得。为了获取器件的近红外响应特性,选用1 064 nm激光垂直照射器件,激光功率由Thorlabs PM100D功率计测得。

3 测试结果及分析

基于上述的器件建模,获得不同厚度硅衬底下的硅/石墨烯肖特基二极管器件的归一化光谱响应,如图3所示。

从图3可以看出,除当硅衬底厚度为50 μm, 器件都具有明显的可见光盲的窄带近红外响应,随着硅厚度增加,窄带响应的中心波长从1 000 nm增加大到1 050 nm。光谱随硅厚度的增加向长波长移动,是由于硅厚度的增加,更长波长的近红外光将达到器件底部的肖特基结区。硅衬底厚度为50 μm时,器件在可见光区域具有较弱的光响应,这主要是由于硅厚度的减小使得少量光生载流子在复合之前可被电极收集。因此,为了实现可见光盲的窄带近红外光响应,可通过硅衬底厚度进行调控。

图3 不同硅衬底下硅/石墨烯肖特基二极管的归一化光谱响应

进一步分析硅/石墨烯肖特基二极管可见光盲的窄带响应机制,硅片厚度为500 μm器件的不同波长入射光下器件的光场分布如4所示。

图4 不同波长入射光下硅/石墨烯肖特基二极管的光强分布

当入射光波长为520、650、808 nm时,入射光主要在器件表明几个微米的区域被吸收,而当入射光波长为1 064 nm时,光能够深入到肖特基结区,产生光生载流子可在肖特基结内建电场的作用下分离,被电极收集,形成光电流。光场分布图进一步验证了图2的窄带响应机制分析和图3的窄带近红外响应曲线。

为了验证硅肖特基结窄带近红外响应的器件仿真设计,选择常用的厚500 μm、掺杂浓度约为1015cm-3n型硅衬底制备了硅/石墨烯肖特基结光探测器,实验测得器件的光谱响应如图5所示。

图5 制备的硅/石墨烯肖特基二极管的归一化光谱响应

从图5可以看出,器件具有优异的可见光盲的窄带近红外光响应特性,响应波长范围为800～1 200 nm,响应中心波长为1 010 nm, 半峰宽约为180 nm。半峰宽大于器件仿真的结果100 nm,这主要是由于顶电极In/Ga电极与低掺杂的n型硅未形成优异的欧姆接触。基于半导体与金属接触的理论,为了改善金-半接触,通常采用重掺杂半导体。

因此,为了改善器件的性能,可以采用更高掺杂浓度的n型硅片,高掺杂的n型硅片有利于与In/Ga电极形成良好的欧姆接触。但提高半导体掺杂浓度,将增加器件的暗电流,需要在这两者之间取一个平衡。另外,硅表面通常具有几纳米的氧化层,这将对金属-半导体接触有一定的影响。因此,在做顶电极之前,可对硅表面氧化层进行处理,达到改善欧姆接触特性的效果。

为了进一步研究硅/石墨烯肖特基二极管的近红光响应特性,测试了器件的1 064 nm近红外下的光响应,如图6所示。

从图6a可以看出,器件具有明显的整流特性,-2～2 V之间的整流比达102。肖特基结电流-电压特性关系为:

(6)

其中:A为器件的有效面积;S为理查德森常数 (120 A/cm2·K2));q为电子电量;φ为肖特基势垒高度;kB为玻尔兹曼常数;n为理想因子;T为绝对温度 (300 K);V为工作电压。

从图6a中蓝色虚线部分可以拟合出器件的理想因子n为1.8,肖特基势垒高度φ约为0.61 eV,表明制备的硅/石墨烯肖特基结具有良好的二极管特性。

从图6a还可以看出,器件对1 064 nm的近红外光具有明显的光响应。响应度是光电探测器的重要器件参数,数值越大说明器件对光照的灵敏度越高,是一个衡量器件光电转换能力的重要参数之一。

为了获得器件的响应度,测试了器件在0、-1 V偏压下, 2 mW光照下的时间响应特性(图6b)。

从图6b可以看出,随着光周期性开关(ON,OFF),器件的光电流具有稳定的周期性变化,表明器件对1 064 nm光具有稳定的响应。

图6 制备的硅/石墨烯肖特基二极管的1 064 nm光响应

图6中,-1 V偏压下,器件的光电流/暗电流(ION/IOFF)之比为42,小于0偏压下的110,这主要是由于0偏压下器件具有更小的暗电流。响应度的定义为:

(7)

其中:Iphoto为光生电流;Popt为单位光功率。在-1 V的偏压下,器件的响应度高达26 mA/W,已接近部分报道的宽光谱的硅/石墨烯肖特基二极管的响应度[12],大于0偏压的响应度,这主要是由于在负偏压下,增加了肖特基结的势垒高度,有利于提升光生载流的分离与收集。器件在0偏压下具有明显的近红外光响应,表明器件可应用于自驱动窄带近红外光探测。

4 结 论

基于硅吸收特性及肖特基结光探测器的器件原理,利用Silvaco TCAD仿真软件,首次实现了光谱可调的硅/石墨烯肖特基二极管的窄带近红外光探测器的设计。根据器件仿真设计,通过湿法转移石墨烯电极成功制备了硅/石墨烯肖特基二极管,研究了硅/石墨烯肖特基二极管的光响应特性,发现器件具有优异的自驱动、可见光盲、自滤光的窄带近红外光响应,响应波长在800～1 200 nm之间,中心波长在1 010 nm 附近,半峰宽约为180 nm,响应度达26 mA/W。器件的半峰宽大于理论计算的100 nm,可通过硅表面处理,或者采用更高掺杂浓度的硅来改善顶电极与硅之间的欧姆接触特性。

制备的器件测试结果验证了硅肖特基结窄带近红外光探测的设计,为构建高性能窄带近红外光探测器等新型光电探测器提供了一定的理论支持和实验参考。