β-FeSi2/SiC光电二级管的设计与分析

摘要

为弥补SiC在近红外光电子领域应用的不足，基于红外光敏β-FeSi2直接带隙半导体材料，提出了一种β-FeSi2/SiC异质结近红外光电二极管探测器。本文以β-FeSi2/SiC光电二极管为研究对象，从理论和实验等方面开展了该器件的可行性研究工作。
　　本文的主要工作和成果如下:
　　1.采用器件模拟法对器件进行理论分析、建模和模拟，证明了该器件的可行性。通过分析界面态密度、吸收层厚度和浓度等因素对器件性能的影响，确定了当β-FeSi2层的厚度和掺杂浓度分别为2.5μm和1×1015cm-3，4H-SiC外延层厚度和浓度分别为2.0μm和1×1016cm-3时，在波长为1.42μm的光照下，峰值响应度高达755mA/W。
　　2.通过磁控溅射及后续退火的方法，分别在Si(100)、4H-SiC(0001)衬底上制备出了β-FeSi2薄膜，XRD的结果表明了β-FeSi2薄膜为多晶结构，在近红外波段，薄膜的光吸收系数接近于105cm-1的数量级，并且所制备β-FeSi2薄膜的光学禁带宽度为0.88eV。
　　3.对β-FeSi2薄膜进行了Al掺杂，发现掺杂并没有改变β-FeSi2薄膜的结晶结构，并且β-FeSi2薄膜的导电类型也从n型转化为p型，通过改变Al元素的溅射时间发现，随着Al含量在β-FeSi2薄膜中的增加β-FeSi2薄膜的电阻率减小。
　　4.制备出了p-β-FeSi2/n-Si、n-β-FeSi2/p-Si和p-β-FeSi2/n-4H-SiC异质结光电二极管，通过对其Ⅰ-Ⅴ特性的测试。实验证明了P-β-FeSi2/n-4H-SiC具有整流特性并对1.31μm近红外光具有明显的光电效应，偏压-1V时，在1.31μm@5mW激光照射下，光响应度可达14.3mA/W。
　　5.通过LabVIEW软件、KEITHLEY6517A型静电计和Agilent82357AGPIB-USB接口总线等设备，开发一套适用于光电二极管Ⅰ-Ⅴ特性测试系统，能够实现自动测量，数据的自动保存以及结果图形化的显示。
　　总之，本文从理论和实验上初步验证了β-FeSi2/SiC近红外光电二极管探测器的可行性，为进一步开发SiC基近红外光控器件奠定了基础。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究进展

1．3 论文的主要研究内容及论文结构安排

2 β-FeSi2的结构和相关测试手段

2．1 β-FeSi2的结构

2．2 β-FeSi2材料的测试方法

2．2．1 薄膜结构特性测试

2．2．2 电学特性测试

2．2．3 光学特性测试

3 β-FeSi2／SiC光电二极管特性理论分析

3．1 β-FeSi2／SiC光电二极管特性

3．2 模型与参数的选取

3．2．1 4H-SiC和β-FeSi2材料基本参数

3．2．2 迁移率模型

3．2．3 光吸收和电子-空穴产生率模型

3．2．4 复合模型

3．3 p-β-FeSi2／n-4H-SiC模拟结果

3．3．1 光电二极管能带图

3．3．2 界面态对光电二极管反向漏电流的影响

3．3．3 界面态对产生率和复合率的影响

3．3．4 光电二极管的I-V特性

3．3．5 β-FeSi2层浓度对光电二极管响应度的影响

3．3．6 β-FeSi2层厚度对光电二极管响应度的影响

3．3．7 入射光的不同方向对光电二极管响应度的影响

3．4 本章小结

4 实验与工艺

4．1 β-FeS2薄膜的制备

4．1．1 基于Si衬底的β-FoSi2薄膜的制备

4．1．2 基于4H-SiC(0001)衬底的β-FeSi2薄膜的制备

4．1．3 β-FeSi2薄膜的光学特性

4．2 β-FeSi2薄膜的掺杂

4．2．1 Al掺杂β-FeSi2薄膜的制备

4．2．2 Al掺杂β-FeSi2薄膜的特性

4．3 β-FeSi2光电二极管

4．3．1 β-FeSi2／Si异质结光电二极管的制备

4．3．2 β-FeSi2／Si异质结光电二极管的特性

4．3．3 β-FeSi2／4H-SiC异质结光电二极管的制备

4．3．4 β-FeSi2／4H-SiC异质结光电二极管的特性

4．4 本章小结

5 基于LabVIEW的测试平台

5．1 硬件平台

5．1．1 KEITHLEY6517A型静电计

5．1．2 AGILENT GPIB-USB 82357A接口总线

5．2 软件平台

5．3 测试系统软件设计

5．3．1 控制计算机与仪器的通讯设计

5．3．2 VISA函数库简介

5．3．3 I-V特性测试功能的设计

5．3．4 软件界面

5．4 测试系统的测试

5．4．1 测试条件

5．4．2 测试方案及结果

5．5 本章小结

6 结束语

致谢

参考文献

在校学习期间所发表的论文及获奖情况