氮化鎵基雪崩探測器暗電流機制的仿真研究

孫佳佳

[摘 要]暗電流是影響氮化鎵（GaN）雪崩光電探測器性能的一個關鍵性因素。課題組通過工具軟件Sentaurus？鄄TCAD對GaN基雪崩探測器暗電流機制進行了仿真研究，對其暗電流的主要機制：擴散電流、復合電流、隧穿電流、雪崩倍增電流以及表面復合電流進行了總結(jié)與分析。將仿真得到的雪崩探測器暗電流特性與實驗數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)它們具有很好的吻合性，為學生對GaN探測器暗電流特性的學習和仿真研究提供參考和借鑒。

[關鍵詞]器件模擬仿真；GaN基雪崩探測器；暗電流機制模型

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）12-0042-05

目前，紫外探測技術在民用和軍事領域的需求越來越高，并成為繼紅外和激光技術之后又一軍民兩用的光電探測技術。[1]高靈敏度的紫外探測器以及紫外探測器材料因而也逐漸成為研究的熱點。GaN基材料由于其具有很高的熔點以及較好的化學穩(wěn)定性，成為在惡劣環(huán)境下工作的器件材料。此外通過改變其三元合金AlGaN中的Al組分，可以實現(xiàn)禁帶寬度的調(diào)節(jié)（3.4eV～6.2eV），覆蓋200nm以上的紫外波段，這使得GaN成為理想的紫外探測器材料。[2]GaN基探測器由于其工作原理和結(jié)構(gòu)的不同又分為：MSM型、PIN型和SAM型等，其中目前使用較為廣泛的PIN探測器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

影響光電探測器性能的因素有很多，探測器在沒有光照時，其內(nèi)部由于熱電子發(fā)射等原因也會產(chǎn)生自由載流子，它們能夠在電場的作用下形成電流，這種在無光照時產(chǎn)生的電流稱為暗電流。[3]器件的暗電流是一種噪聲信號，也是影響探測器性能的一個主要因素[4]，因此為了提高光電探測器性能，需要對暗電流機制進行深入的研究。

一、器件結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)

在Sentaurus？鄄TCAD軟件的器件結(jié)構(gòu)編輯模塊中創(chuàng)建背照射型GaN p？鄄i？鄄n探測器器件模型。如圖2所示，在襯底上依次定義了三層外延層，自下而上分別為0.6μm厚n型層（摻雜濃度為2×1018cm-3），0.2μm厚非故意摻雜的i型層（摻雜濃度為1×1016cm-3）以及0.15μm厚p型層（摻雜濃度為2×1017cm-3），此外在器件的上表面定義了一層500nm厚的Si3N4鈍化層。仿真中根據(jù)GaN材料的特性編寫其材料的參數(shù)文件，并將參數(shù)文件導入器件仿真模塊中，GaN材料部分參數(shù)如表1所示。

二、暗電流機制模型

GaN基探測器總的暗電流一般包括了以下成分：擴散電流、復合電流、隧穿電流以及表面漏電流。對于雪崩探測器而言，總的暗電流除了上述類型的暗電流之外還包括了由雪崩倍增主導的電流。[5]不同類型的暗電流根據(jù)其作用機制，在不同的條件下對總的暗電流產(chǎn)生貢獻，其中擴散電流、復合電流、隧穿電流以及雪崩倍增電流的機制如圖3所示。GaN基雪崩探測器暗電流仿真主要的模型參數(shù)如表2所示。

對探測器暗電流的仿真主要通過Sentaurus？鄄TCAD中器件物理仿真模塊來實現(xiàn)。通過調(diào)用電子與空穴的連續(xù)性方程來計算載流子的漂移擴散以及產(chǎn)生與復合過程。連續(xù)性方程表達式為：

其中Jn，Jp分別為電子和空穴的密度；n，p為電子和空穴的濃度；G為載流子生成速率；R為載流子復合速率；q為電荷量。

1.擴散電流

擴散是半導體中載流子從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的輸運過程。光電探測器一般工作在零偏或是反向的偏壓下，內(nèi)部將產(chǎn)生一定寬度的耗盡區(qū)。耗盡區(qū)內(nèi)由于內(nèi)建電場的作用幾乎沒有可以自由移動的載流子，而在耗盡區(qū)外由于少數(shù)載流子存在濃度差做擴散運動產(chǎn)生擴散電流。

2.復合電流

半導體中載流子的復合過程主要有3種[6]：間接復合（SRH recombination），俄歇復合（Auger recombination）以及輻射復合（Radiative recombination）。

SRH復合主要是由于半導體材料在其生長過程中存在一定程度的缺陷。對于GaN基器件GaN/AlGaN材料體系由于晶格失配和熱失配產(chǎn)生的缺陷密度達到108～1011cm-2，當器件工作時，材料中的缺陷在半導體表面和內(nèi)部形成陷阱。[7][8]另外，由于陷阱類型的差異（受主型和施主型）形成復合中心對不同類型的載流子進行俘獲。如圖4所示，缺陷形成了復合中心Et，電子和空穴能夠被該復合中心俘獲或是重新發(fā)射，因而也產(chǎn)生了與SRH復合相關的電子空穴壽命。

3.隧穿電流

當逐漸提高器件兩端的反向偏壓（未達到雪崩臨界電場），勢壘區(qū)的內(nèi)建電場逐漸增強，P區(qū)價帶頂將高于N區(qū)導帶底產(chǎn)生隧穿通道，電子從價帶通過隧穿通道進入導帶形成隧穿電流。隧穿電流根據(jù)其不同的隧穿過程又分為直接隧穿和陷阱輔助隧穿，其中陷阱輔助隧穿主要是由于在半導體內(nèi)部結(jié)面處，尤其是異質(zhì)結(jié)存在大量的缺陷形成陷阱區(qū)域。這些陷阱在半導體中形成中間復合能級，能夠?qū)λ泶┻^程的電子產(chǎn)生俘獲和重新發(fā)射的作用。

直接隧穿過程主要發(fā)生在結(jié)區(qū)域，由于摻雜類型在這里突變從而產(chǎn)生較強的勢壘，此外GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)器件一般會在異質(zhì)結(jié)區(qū)域誘導產(chǎn)生極化電荷，使得結(jié)區(qū)域產(chǎn)生很強的局域電場。仿真采用與電場相關的隧穿模型模擬直接隧穿的過程，直接隧穿機制主導的暗電流載流子的生成速率Gb2b為：

陷阱輔助隧穿主要與缺陷產(chǎn)生的陷阱電荷狀況有關，仿真時將陷阱輔助隧穿的載流子壽命引入SRH復合模型的載流子壽命中，模擬陷阱電荷對隧穿過程產(chǎn)生的影響。通過表達式可知，陷阱輔助隧穿壽命的引入將會導致SRH復合壽命的降低。此外陷阱輔助隧穿過程會導致陷阱截面產(chǎn)生一定程度的擴大，可以通過將陷阱輔助隧穿因子引入陷阱俘獲截面的表達式中來模擬這一過程。陷阱輔助隧穿作用后的載流子壽命τ以及陷阱電荷的俘獲面積σ為：

4.雪崩倍增電流endprint

隨著器件兩端所加反向偏壓繼續(xù)增大，器件內(nèi)部的耗盡區(qū)進一步擴大并處于很高強度的電場之下，在內(nèi)電場的作用下載流子獲得的加速作用越來越強，動能增大。當內(nèi)電場逐漸達到雪崩的臨界電場時，高速運動的載流子在運動過程中撞擊晶格，使價電子從晶格中掙脫形成自由的電子空穴對。而新產(chǎn)生的電子空穴在電場的作用下同樣獲得加速作用撞擊晶格產(chǎn)生電子和空穴，這樣的過程使得耗盡區(qū)內(nèi)的載流子數(shù)量急劇增加，形成雪崩倍增機制主導的暗電流。

仿真采用離化模型模擬雪崩倍增的過程，雪崩倍增主導的暗電流載流子的生成速率Gava為：

5.表面漏電流

半導體材料在生長過程中，器件的表面相較于體內(nèi)更容易產(chǎn)生缺陷，具有高密度缺陷的器件表面會產(chǎn)生許多局域的復合能級形成表面態(tài)。一般探測器表面漏電流的組成主要有：表面復合電流、表面隧穿電流以及表面溝道電流。[11]表面電流的組成其實很復雜，尤其是其主要作用在表面的一個相對狹窄的區(qū)域，這樣增加了器件仿真時的計算難度，更容易出現(xiàn)仿真計算時不收斂的問題。通常情況下在低電場下主要考慮表面復合電流，而在相對的高電場下表面的隧穿電流逐漸增強。

三、結(jié)果與討論

根據(jù)上述的暗電流機制物理模型以及GaN基材料的參數(shù)，通過Sentaurus-TCAD軟件對GaN基雪崩探測器進行器件模擬和數(shù)值計算。如圖6所示，將仿真得到的暗電流特性曲線與文獻[12]中制備得到的GaN基雪崩探測器暗電流的實測數(shù)據(jù)進行對比。實驗中測試得到的暗電流由于測試系統(tǒng)本身存在極限電流產(chǎn)生誤差，因而當探測器外加反向偏壓低于20V時出現(xiàn)抖動。而當偏壓大于20V時仿真得到的暗電流與實驗得到的暗電流基本吻合，反向偏壓增加至75V左右時器件發(fā)生雪崩擊穿。通過實驗表明，采用器件仿真的方法能夠很好的對GaN基雪崩探測器的暗電流機制進行分析和研究，而對于更加復雜的探測器結(jié)構(gòu)和作用機制，還需要我們進一步的研究和學習。

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[責任編輯：鐘 嵐]endprint