InGaZnO-Si異質(zhì)結(jié)光電二極管制備、建模及應(yīng)用.pdf

1、在現(xiàn)今的圖像傳感器發(fā)展中，CMOS圖像傳感器在移動(dòng)平臺、低功耗應(yīng)用中逐漸取代CCD圖像傳感器的市場份額而成為主流。由于氧化物半導(dǎo)體/Si異質(zhì)結(jié)等Si基異質(zhì)結(jié)光電二極管具有制備方法靈活、光電性能優(yōu)秀、均一性好、可組成復(fù)雜結(jié)構(gòu)、與CMOS工藝兼容等特點(diǎn)，在CMOS圖像傳感器未來的發(fā)展中將具有重要意義。本文通過常溫磁控濺射在Si襯底上生長InGaZnO薄膜，制備得到了同時(shí)具有高量子效率和低反偏暗電流密度的IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管。由于I

2、GZO/Si繼承了大多數(shù)透明氧化物半導(dǎo)體/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管的非線性光電響應(yīng)特性，本文基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了適用于IGZO/Si等透明氧化物/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管的光電流電壓以及光電容電壓模型，并對透明氧化物/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管的非線性光電響應(yīng)特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析并對其原理進(jìn)行了解釋。最后，通過模擬仿真的方法討論了IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管獨(dú)特光電特性對其在有源像素傳感器中應(yīng)用的影響。
　　在不同溫度和氣氛環(huán)境中，在Si襯底以

3、及具有SiO2緩沖層的Si襯底上，磁控濺射生長均勻IGZO薄膜以及InSnO(ITO)頂電極，得到了IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管。對IGZO薄膜的表征得知，IGZO薄膜為禁帶寬度大于3.7eV、具有高摻雜濃度、高電子遷移率以及低電阻率、厚度為120nm的對可見光透明的非晶態(tài)IGZO半導(dǎo)體。在636nm單色激光照射下，25℃、200℃以及400℃制備得到的IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管均表現(xiàn)出良好量子效率。通過降低IGZO薄膜生長溫度、

4、使用氬氧混合氣作為濺射氣體以及引入SiO2緩沖層，可以將IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管的反向暗電流有效降低至(1～100)μAcm-2。室溫下制備的IGZO薄膜具有良好光學(xué)和電學(xué)特性，從而IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管同時(shí)具有高量子效率和低反偏暗電流密度，并且可以通過調(diào)整工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于使用外延工藝在Si襯底上制備，所以本文提出的IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管非常適合在CMOS圖像傳感器中的應(yīng)用。
　　在對IGZO/Si異質(zhì)

5、結(jié)光電二極管進(jìn)行光電特性測量的過程中發(fā)現(xiàn)，IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管繼承了透明氧化物/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管在低反偏電壓下的非線性光電響應(yīng)特性。IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管光電流密度在非線性光電響應(yīng)區(qū)中隨著反偏電壓的增加而增加，并在特定反偏電壓下飽和進(jìn)入線性光電響應(yīng)區(qū)。在非線性光電響應(yīng)區(qū)，光電流密度隨著入射光光強(qiáng)增強(qiáng)而增加，但是量子效率隨之減小。從IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管的暗電流電壓特性出發(fā)，結(jié)合發(fā)射-隧穿-復(fù)合模型測量，計(jì)算

6、和分析了IGZO/Si中間層界面態(tài)對暗電流電壓特性的影響，得到了IGZO/Si中間層界面態(tài)密度與電子-空穴產(chǎn)生復(fù)合率的關(guān)系。分析結(jié)果表明，中間層界面態(tài)的存在明顯的改變了IGZO/Si空間電荷區(qū)電壓分配關(guān)系以及電子能帶空間分布，從而對暗電流電壓特性產(chǎn)生明顯的影響。根據(jù)暗電流電壓特性分析中求解得到的中間層特性參數(shù)，通過求解泊松方程、電流連續(xù)性方程和電子發(fā)射-隧穿勢壘方程，得到了IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管的光電流電壓特性以及光電容電壓特性

7、模型。將此模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明此模型可以很好的擬合IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管光電特性。具有低界面態(tài)電子遷移率、高界面態(tài)密度的中間層和IGZO一側(cè)空間電荷區(qū)勢壘阻擋光生電子通過IGZO/Si界面并在中間層形成光生電子堆積，從而增加光生電子在Si空間電荷區(qū)以及中間層的復(fù)合電流。光生電子的堆積進(jìn)一步降低了Si空間電荷區(qū)分壓，使得Si空間電荷區(qū)復(fù)合電流在更高的反偏電壓時(shí)開始下降，從而提高了光電流飽和電壓閾值。根據(jù)本文

8、提出的模型對中間層界面態(tài)密度、中間層界面態(tài)遷移率、中間層固定電荷密度、Si襯底和透明氧化物薄膜的摻雜濃度、中間層電子復(fù)合截面、透明氧化物薄膜電子親和能對光電特性的影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析。結(jié)果表明通過改變以上參數(shù)，可有效調(diào)節(jié)透明氧化物/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管的非線性光電響應(yīng)特性以及電容電壓特性。
　　將IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管應(yīng)用到有源像素傳感器中，對其動(dòng)態(tài)范圍、有效工作電壓范圍、信號噪聲等性能進(jìn)行綜合分析。與應(yīng)用傳統(tǒng)Si光電二極

9、管的有源像素傳感器相比，由于IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管在高、低反偏電壓情況下分別具有線性光電響應(yīng)和非線性光電響應(yīng)特性，使得IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管構(gòu)成的有源像素傳感器具有高動(dòng)態(tài)范圍、低信號噪聲、低等效入射光噪聲的優(yōu)良特性。對不同制備條件制備得到的IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管在有源像素傳感器中的應(yīng)用進(jìn)行研究。在常溫下制備的IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管，在較強(qiáng)和較弱入射光密度情況下分別具有適宜的光電轉(zhuǎn)換增益，并且在較低電壓下工