碳化硅MSM紫外探测器结构优化与温度特性研究

摘要

第三代半导体材料碳化硅(SiC)具有禁带宽度大、击穿电场高、介电常数低、热稳定性好等特点，在高频大功率电子器件以及耐高温光电器件方面呈现出极大的潜力。随着紫外探测技术的快速发展，高性能紫外探测器逐渐成为研究热点。SiC基金属-半导体-金属(MSM)紫外探测器具有暗电流低、响应速度快、易于集成等特点，在导弹追踪、火灾探测、臭氧层监测、紫外天文学等军民两用领域具有广阔的应用前景，受到广泛的关注。
　　 MSM紫外探测器的电极分布对入射光具有遮光效应，从而对器件的光电特性产生一定负面影响。为了提高探测器的性能，在改善材料质量、提高制备工艺水平的同时，选择合理的器件参数、研究新型的探测器结构以便增强光的入射是一种有效的技术手段。鉴于国内光电探测器的研究现状，本文从物理建模、数值仿真、理论分析、结构优化等方面对SiC MSM紫外探测器的光电特性及温度特性开展了系统的研究，并取得了以下研究成果：
　　 1.基于热电子发射理论，建立了6H-SiC MSM结构紫外探测器的器件模型。对金属叉指宽度和间距均为3μm的器件进行了仿真，结果表明该结构探测器在10V偏压下暗电流已经达到15 pA。器件的光电流比暗电流大2个数量级。通过仿真优化了器件结构，结果表明电极宽度和间距分别为6μm和3μm的探测器具有最大光电流。电极宽度为3μm，电极间距为6μm的器件具有最高的紫外可见光比。
　　 2.使用数值计算方法建立了4H-SiC MSM结构紫外光探测器的二维模型。通过求解泊松方程、电流连续性方程及电流密度方程计算了该探测器的响应度特性。考虑到金属电极对紫外光的反射和吸收，详细研究了各种器件参数对光谱响应的影响并分析了其工作机理。结果表明响应度与电极高度成反比并随电极间距和宽度的增加而增大。各种结构的探测器紫外可见光比均达到3个数量级。结构优化表明电极高度为50 nm、电极宽度和间距为3μm和9μm的探测器在10V偏压下具有最高响应度180.056 mA/W，同时该探测器的峰值量子效率和最大紫外可见光比分别为77.93％和1875。
　　 3.建立了新型三角形电极MSM探测器仿真模型，并对其Ⅰ-Ⅴ特性进行了研究。与传统结构MSM探测器相比，探测器光电流输出增加了113％，而暗电流没有明显增大。电极的角度、间距和宽度对增强探测器的光入射效果起着重要的作用。仿真结果表明在30 V偏压和310 nm光照条件下，三角形电极底角、宽度和间距分别为60°、3μm和4μm的探测器具有最高紫外可见光比、较高的响应度和量子效率，其数值分别为13049、0.1712 A/W和68.48％。
　　 4.基于漂移-扩散模型、迁移率模型、复合模型、势垒降低模型、光产生与吸收模型，建立了新型半圆形电极MSM探测器的器件模型，研究了探测器结构变化对光谱响应特性的影响。为了实现最佳光电探测性能，对半圆形电极结构进行了优化。结果表明电极半径为2μm，电极间距为3μm的探测器在290 nm光照条件下具有0.177 A/W的峰值响应度，75％的外量子效率，同时在0.3 V偏压条件下归一化光暗电流对比度达到1.192×10111/W。
　　 5.利用热动力、流体动力以及与温度相关的材料吸收系数模型研究了4H-SiCMSM紫外探测器的温度特性。仿真结果表明探测器的暗电流与光电流均随温度升高而增大，且暗电流的增幅高于光电流从而导致了探测器电流比率的降低。在温度为800 k偏压为5 V以及300 nm紫外光照射条件下，探测器的电流比率仍达到2个数量级。量子效率随温度升高而增大且峰值均位于280 nm。光谱响应特性随温度的升高呈现不对称的趋势，长波方向上探测器的响应度不断提高并且峰值出现12nm的红移。对于高光子能量的短波长紫外辐射，光谱响应并未随温度的上升出现显著变化。