SOI基柵控橫向PIN藍(lán)紫光探測(cè)器溫度特性研究

謝海情，賈新亮，黃茂飛，李潔穎，彭永達(dá)，王 超，王 龍

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114;2.湖南電子科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)械與電子信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410217)

0 引言

光探測(cè)器(PD)作為光信號(hào)讀取器件，在光電子系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用。藍(lán)紫光探測(cè)器在藍(lán)光存儲(chǔ)、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。隨著CMOS工藝的發(fā)展，與CMOS工藝兼容的高性能、可光電集成的藍(lán)紫光探測(cè)器成為目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

基于體硅CMOS工藝的光探測(cè)器都存在襯底漏電流和暗電流大及靈敏度低等缺陷。絕緣襯底上的硅(SOI)薄膜器件是在絕緣層上的半導(dǎo)體薄膜中制造器件，具有漏電流小，寄生電容小，無(wú)閂鎖效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外研究者的高度重視，被視為21世紀(jì)的微電子技術(shù)。韓志濤等提出的SOI薄膜藍(lán)紫光探測(cè)器，在450 nm波長(zhǎng)時(shí)，響應(yīng)度為0.348 A/W。在波長(zhǎng)為900 nm時(shí)，響應(yīng)度僅為0.054 A/W，能有效抑制長(zhǎng)波光[2]。J. Chu等提出的SOI薄膜縱向PN結(jié)光電二極管，在波長(zhǎng)為480 nm時(shí)，量子效率為69.6%[3]。但縱向PN結(jié)的輸入阻抗小，不利于光電集成(OEIC)[4]。另外，暗電流、量子效率和頻率響應(yīng)之間的矛盾制約了光探測(cè)器性能的提高[5-6]。

謝海情等綜合雙極型光探測(cè)器、MOS光探測(cè)器和SOI薄膜器件的優(yōu)點(diǎn)，提出基于SOI薄膜的透明電極柵控橫向PIN光電二極管(LPIN PD-GTE)結(jié)構(gòu)，能有效解決暗電流、量子效率和頻率響應(yīng)之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)低暗電流、大量子效率和快頻率響應(yīng)，并獲得大輸入阻抗。在波長(zhǎng)為400 nm時(shí)，暗電流達(dá)到皮安量級(jí)，響應(yīng)度大于0.2 A/W，量子效率大于70%，-3 dB帶寬為接近1 GHz[7-9]。

溫度特性是光探測(cè)器的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)，其決定了光探測(cè)器正常工作的溫度范圍。溫度的改變直接決定硅薄膜的本征載流子濃度和費(fèi)米勢(shì)，進(jìn)而影響LPIN PD-GTE柵極電壓的柵控作用，從而影響光探測(cè)器的光、暗電流，信噪比等光電特性。本文在前期研究工作的基礎(chǔ)上，構(gòu)建不同溫度下柵極電壓的解析模型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和軟件模擬，驗(yàn)證模型的有效性。并進(jìn)一步研究不同溫度時(shí)LPIN PD-GTE的光、暗電流和信噪比(SNR)，探索溫度對(duì)器件光電特性的影響規(guī)律。

1 器件結(jié)構(gòu)與模型構(gòu)建

本文研究的基于全耗盡SOI 薄膜的LPIN PD-GTE結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，K為陽(yáng)極，G為柵極，A為陰極；Si薄膜厚度dSi=300 nm，P-區(qū)長(zhǎng)度Li=20 μm，摻雜體積濃度NA=1015/cm3；P+和N+區(qū)的長(zhǎng)為2 μm，摻雜濃度Nd均為1020/cm3。埋氧層厚度dbox=380 nm，溝道上方氧化層厚度dfox=10 nm，襯底Si厚度dsub=580 nm。

圖1 LPIN PD-GTE結(jié)構(gòu)圖

前期研究工作構(gòu)建的柵極電壓解析模型為

(1)

式中：VGK為電極G、K之間的電壓；φmsf、φmsb分別為硅膜正面和背面接觸電勢(shì)差；φsf為表面勢(shì);Qoxf、Qoxb分別為前、后SiO2層中的單位電荷量;Qdep為耗盡區(qū)的電荷量;CSi、Cox、Cbox分別為硅及前、背柵SiO2的單位電容。

在LPIN PD-GTE中，柵極電壓控制硅薄膜耗盡而不反型，即φsf的范圍為

φf(shuō)p≤φsf≤2φf(shuō)p

(2)

式中φf(shuō)p為硅薄膜的費(fèi)米勢(shì)，即

(3)

式中：Ei為本征能級(jí);EF為費(fèi)米能級(jí)；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度；ni為本征載流子濃度，其隨溫度變化的表達(dá)式為

(4)

式中：Eg(0)為T(mén)=0時(shí)的禁帶寬度；α=4.73×10-4eV/K，β=636 K均為常數(shù)。

將式(4)代入式(3)可得φf(shuō)p隨溫度變化的解析式為

(5)

φf(shuō)p對(duì)T求導(dǎo)，可得

(6)

從式(1)、(3)可得不同溫度下柵極電壓的解析模型，當(dāng)溝道表面弱反型時(shí)，即φsf=φf(shuō)p,則有

(7)

當(dāng)溝道表面強(qiáng)反型時(shí)，即φsf=2φf(shuō)p,則有

(8)

2 結(jié)果與分析

采用MATLAB對(duì)解析模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并采用SILVACO軟件中的ATLAS模塊對(duì)器件進(jìn)行模擬仿真，驗(yàn)證模型的有效性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)器件的溫度特性進(jìn)行仿真，得到器件光電特性最優(yōu)化的溫度值。

當(dāng)分別取-25 ℃、0、25 ℃、50 ℃、75 ℃溫度值時(shí)，根據(jù)式(7)、(8)計(jì)算可得，溝道表面弱反型時(shí)的柵極電壓分別為0.259 5 V、0.234 3 V、0.208 6 V、0.182 6 V、0.156 2 V；溝道表面強(qiáng)反型時(shí)的柵極電壓分別為0.600 5 V、0.550 1 V、0.498 8 V、0.446 8 V、0.394 V。采用ATLAS軟件進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果如圖2、3所示。由圖2、3可知，溝道表面弱反型時(shí)的柵極電壓分別為0.248 V、0.246 V、0.245 V、0.243 V、0.242 V；溝道表面強(qiáng)反型時(shí)的柵極電壓分別為0.62 V、0.59 V、0.56 V、0.53 V、0.5 V。

圖2 不同溫度下，表面弱反型時(shí)的縱向載流子濃度分布

圖3 不同溫度下，表面弱反型時(shí)的縱向載流子濃度分布

圖4為弱、強(qiáng)反型時(shí)的仿真結(jié)果和計(jì)算結(jié)果的柵極電壓值的對(duì)比圖。

圖4 計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比

通過(guò)圖4中計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比可知，當(dāng)溫度上升時(shí)，強(qiáng)、弱反型所需的柵極電壓值均減小。當(dāng)溫度較低時(shí)，計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果擬合較好，當(dāng)溫度升高時(shí)，柵極電壓的計(jì)算結(jié)果下降幅度比仿真結(jié)果大，這是由于在解析模型中忽略了背柵的影響。

當(dāng)入射光波長(zhǎng)為400 nm，強(qiáng)度為1 mW/cm2，反向偏壓為1 V時(shí)，柵極電壓為0～2 V，溫度由-25 ℃上升到75 ℃，采用ATLAS軟件對(duì)器件溫度特性進(jìn)行模擬仿真。

圖5為器件溝道表面處本征載流子濃度隨溫度的變化曲線。當(dāng)溫度升高時(shí)，電子共有化運(yùn)動(dòng)加劇，能級(jí)分裂加劇，因此，允帶變寬，禁帶變窄，電子更易從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，所以本征載流子濃度隨溫度的升高而增大。

圖5 不同溫度下，溝道表面本征電子濃度

圖6、7分別為L(zhǎng)PIN PD-GTE器件的暗電流與光電流隨溫度的變化曲線。由圖可知，暗電流隨溫度的升高而增大，而光電流的最大值隨溫度的變化不明顯。

圖6 暗電流隨溫度的變化曲線

圖7 光電流隨溫度的變化曲線

由圖6可知，柵極電壓對(duì)溝道中載流子濃度的控制分3個(gè)階段。當(dāng)VGKVGK2時(shí)，溝道表面處VAK全部轉(zhuǎn)移到左側(cè)高低結(jié)處，隨著柵極電壓的增大，轉(zhuǎn)移點(diǎn)沿溝道縱向延伸，右側(cè)產(chǎn)生的反向抽取越來(lái)越弱，濃度梯度減小，因此電流急劇下降。隨著溫度的上升，本征載流子濃度增大，故暗電流隨著溫度的升高而增大。

由圖7可知，有入射光時(shí)，溝道中的載流子主要為光生載流子。溫度升高時(shí)，溝道中的熱激發(fā)少數(shù)載流子濃度增大，但仍遠(yuǎn)小于光生載流子濃度。隨著熱激發(fā)多數(shù)載流子濃度增大，復(fù)合率增大，電子壽命減小，所以光電流稍微減小。另外，隨著溫度上升，使溝道強(qiáng)反型時(shí)所需柵極電壓值減小，所以使電流達(dá)到最大值的柵極電壓值隨溫度的上升而減小。

SNR是體現(xiàn)光探測(cè)器靈敏度的重要參數(shù)。根據(jù)圖6、7可得光、暗電流及SNR隨溫度變化，如表1所示。

表1 光、暗電流及SNR隨溫度變化

由表1可知，隨著溫度的增大，光電流的最大值幾乎無(wú)變化，而暗電流增大明顯。SNR隨著溫度的升高迅速減小，且達(dá)到峰值的柵極電壓值也有明顯增大。在溫度為-25 ℃、柵極電壓為1.44 V時(shí)，SNR達(dá)到最大值。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了溫度變化對(duì)SOI基柵控橫向PIN藍(lán)紫光探測(cè)器光電特性的影響。構(gòu)建柵極電壓在溫度影響下的解析模型，并驗(yàn)證模型的有效性；利用SILVACO軟件中的ATLAS模塊對(duì)器件的溫度特性進(jìn)行研究，得到本征載流子濃度，光、暗電流及信噪比等隨溫度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，本征載流子濃度和暗電流隨溫度的升高而增大，溫度對(duì)光電流的影響不明顯，信噪比隨溫度的升高而減小。同一溫度下，SNR隨柵極電壓的增大先減小后不變?nèi)缓笤龃?，直到達(dá)到最大值，而后迅速減小。在T=-25 ℃，VGK=1.44 V時(shí)，信噪比達(dá)到最大值(為6.11×105)，在T=75 ℃，VGK=2 V時(shí)下降為1.064 3×103。