碳化硅MSM紫外探測器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與溫度特性研究.pdf

1、第三代半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)具有禁帶寬度大、擊穿電場高、介電常數(shù)低、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在高頻大功率電子器件以及耐高溫光電器件方面呈現(xiàn)出極大的潛力。隨著紫外探測技術(shù)的快速發(fā)展，高性能紫外探測器逐漸成為研究熱點(diǎn)。SiC基金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)紫外探測器具有暗電流低、響應(yīng)速度快、易于集成等特點(diǎn)，在導(dǎo)彈追蹤、火災(zāi)探測、臭氧層監(jiān)測、紫外天文學(xué)等軍民兩用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，受到廣泛的關(guān)注。
　　 MSM紫外探測器的電極分布對入

2、射光具有遮光效應(yīng)，從而對器件的光電特性產(chǎn)生一定負(fù)面影響。為了提高探測器的性能，在改善材料質(zhì)量、提高制備工藝水平的同時(shí)，選擇合理的器件參數(shù)、研究新型的探測器結(jié)構(gòu)以便增強(qiáng)光的入射是一種有效的技術(shù)手段。鑒于國內(nèi)光電探測器的研究現(xiàn)狀，本文從物理建模、數(shù)值仿真、理論分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面對SiC MSM紫外探測器的光電特性及溫度特性開展了系統(tǒng)的研究，并取得了以下研究成果：
　　 1.基于熱電子發(fā)射理論，建立了6H-SiC MSM結(jié)構(gòu)紫外探測

3、器的器件模型。對金屬叉指寬度和間距均為3μm的器件進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)探測器在10V偏壓下暗電流已經(jīng)達(dá)到15 pA。器件的光電流比暗電流大2個(gè)數(shù)量級。通過仿真優(yōu)化了器件結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明電極寬度和間距分別為6μm和3μm的探測器具有最大光電流。電極寬度為3μm，電極間距為6μm的器件具有最高的紫外可見光比。
　　 2.使用數(shù)值計(jì)算方法建立了4H-SiC MSM結(jié)構(gòu)紫外光探測器的二維模型。通過求解泊松方程、電流連續(xù)性方程及電流密

4、度方程計(jì)算了該探測器的響應(yīng)度特性。考慮到金屬電極對紫外光的反射和吸收，詳細(xì)研究了各種器件參數(shù)對光譜響應(yīng)的影響并分析了其工作機(jī)理。結(jié)果表明響應(yīng)度與電極高度成反比并隨電極間距和寬度的增加而增大。各種結(jié)構(gòu)的探測器紫外可見光比均達(dá)到3個(gè)數(shù)量級。結(jié)構(gòu)優(yōu)化表明電極高度為50 nm、電極寬度和間距為3μm和9μm的探測器在10V偏壓下具有最高響應(yīng)度180.056 mA/W，同時(shí)該探測器的峰值量子效率和最大紫外可見光比分別為77.93％和1875。

5、r>　　 3.建立了新型三角形電極MSM探測器仿真模型，并對其Ⅰ-Ⅴ特性進(jìn)行了研究。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)MSM探測器相比，探測器光電流輸出增加了113％，而暗電流沒有明顯增大。電極的角度、間距和寬度對增強(qiáng)探測器的光入射效果起著重要的作用。仿真結(jié)果表明在30 V偏壓和310 nm光照條件下，三角形電極底角、寬度和間距分別為60°、3μm和4μm的探測器具有最高紫外可見光比、較高的響應(yīng)度和量子效率，其數(shù)值分別為13049、0.1712 A/W和68

6、.48％。
　　 4.基于漂移-擴(kuò)散模型、遷移率模型、復(fù)合模型、勢壘降低模型、光產(chǎn)生與吸收模型，建立了新型半圓形電極MSM探測器的器件模型，研究了探測器結(jié)構(gòu)變化對光譜響應(yīng)特性的影響。為了實(shí)現(xiàn)最佳光電探測性能，對半圓形電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明電極半徑為2μm，電極間距為3μm的探測器在290 nm光照條件下具有0.177 A/W的峰值響應(yīng)度，75％的外量子效率，同時(shí)在0.3 V偏壓條件下歸一化光暗電流對比度達(dá)到1.192×10

7、111/W。
　　 5.利用熱動(dòng)力、流體動(dòng)力以及與溫度相關(guān)的材料吸收系數(shù)模型研究了4H-SiCMSM紫外探測器的溫度特性。仿真結(jié)果表明探測器的暗電流與光電流均隨溫度升高而增大，且暗電流的增幅高于光電流從而導(dǎo)致了探測器電流比率的降低。在溫度為800 k偏壓為5 V以及300 nm紫外光照射條件下，探測器的電流比率仍達(dá)到2個(gè)數(shù)量級。量子效率隨溫度升高而增大且峰值均位于280 nm。光譜響應(yīng)特性隨溫度的升高呈現(xiàn)不對稱的趨勢，長波方向上