基于硅微孔陣列自濾光肖特基二極管光探測器的研究

張濤，于永強

（合肥工業大學電子科學與應用物理學院，安徽合肥，230601)

0 引言

近紅外光探測器在臨床診斷、治療設備等生物醫學領域具有廣闊的應用前景，而隨著微納技術的發展，硅微孔陷光結構對紅外響應有突出的作用。相較于其他硅微納結構結構，例如硅納米線、硅槽等，硅微孔結構有著更大的比表面積，從理論上可以吸收更強的光，而且其結構成凹狀，能夠更有效的避免光的“逃脫”[1]。近些年石墨烯作為超薄二維層狀材料，因為其突破了低遷移率的瓶頸而在光電器件方面的應用引起熱潮，硅襯底與石墨烯形成較大的接觸面積，這對于肖特基勢壘的形成起到至關重要[2]。本文利用Silvaco TCAD三維仿真設計出光譜可調的Si MHs/Gr肖特基二極管窄帶近紅外光探測器，將硅微孔陣列的低反射率、高吸收率和載流子傳輸路徑短等優勢與二維材料石墨烯（Gr）相結合為高性能光電探測器的研究提供了新的思路[3-4]。

1 光電二極管仿真及制備

■1.1 光電二極管仿真

Silvaco TCAD是一款現今市面上為數不多能夠提供給芯片代工廠最完整解決方案的軟件，有著獨一無二的優點。Silvaco TCAD中的三維仿真工具能夠更清晰地模擬半導體器件中的電學、光學以及熱學行為，用以簡單方便地分析半導體器件的直流、交流及時域響應等信息等；Devedit 3D作為器件編輯器，可以通過點線面將器件的三維結構生動形象地展現出來；TCAD仿真組件都可以在集成環境Deckbuild中調用，輸出的結果通過TonyPlot 3D實時顯示出來[5]。

圖1 (a)是器件的三維結構及其光場分布仿真圖，通過對光場分布進行降維處理，截取其中一個面深入探究。光場分布與入射光的波長息息相關，如圖1(b) 所示，模擬出入射光波長為780nm、808nm、980nm、1064nm時，光探測器的光場分布。從圖中可以看出波長光780nm、808nm時，光只能照射在器件頂部，當波長光為980nm時，光子能夠到達器件中部。而當光探測器被1064 nm波長的入射光照射時，光子能穿透器件到達底部。而且硅孔處的光子能量要強于平面部分。圖1(c)是器件的載流子產生率仿真結果，其中硅孔處的產生率要遠遠強于平面硅部分。

圖1

■1.2 器件制備

基于Silvaco TCAD仿真結果，本文在硅襯底上刻蝕出硅微孔陣列，通過利用硅孔陷光結構來優化器件響應性能。其中硅微孔陣列刻蝕工藝如下：

首先取出大小為1×1 cm2、厚度為500 μm、電阻率為1-10 Ω·m的N型輕摻硅片，依次在丙酮、酒精、去離子水中超聲清洗10 min；其次將硅片置于勻膠機上均勻滴上正性光刻膠（AZ-6210）以500rpm 低速旋轉10s，3000rpm高速旋轉30s，待勻膠完成后將其放入100°C的烘膠機上，烘5 min；然后將硅片放置在曝光機中曝光15s，并顯影11s完成光刻；最后利用ICP刻蝕工藝刻蝕出整齊排列的硅微孔陣列，將其放入正膠去膜劑中清洗5 min，完成硅孔陣列的制備[6-7]。

圖2(a)是硅孔的深寬比和SEM圖，可以看出硅孔刻蝕工藝十分完善，刻蝕出的硅孔圖形規整，排列均勻，沒有雜質。圖2（b）是硅微孔陣列和平面硅的歸一化吸收光譜，從圖上發現硅對800nm到1000nm光波的吸收很強，而且硅微孔陣列比平面硅的吸收要強的多，與期望結果相同，證實了硅孔陷光結構可以加強對近紅外光的吸收。為了進一步探究硅孔對光吸收的影響，其器件制備如下：

圖2

石墨烯憑借高收集率、良好的導電性能等優異的類金屬性質常作為電極的首選。且其跟硅襯底形成肖特基勢壘，本文將刻蝕后的硅片作為襯底，通過濕法轉移石墨烯完成底電極裝配，銦鎵共晶均勻涂在硅微孔陣列表面作為頂電極，完成器件制備[9-10]。然后在其上下表面分別裝配頂電極和底電極完成光電探測器的制備，器件制備流程如圖3所示。

圖3 器件制備流程

2 光電探測器的性能研究

當光照射在Si/Gr SD器件表面時，硅會吸收掉一部分光子，而更多的光子被硅反射掉，這在光的吸收率以及載流子生成率上都造成了極大的浪費。為了減少這部分的浪費，本文在Si/Gr SD器件的基礎上，通過在硅表面刻蝕出整齊排列的圓孔，通過對硅表面進行微納加工，制備出整齊的硅微孔排列，即陷光結構。光照射在硅孔內部，同樣會將光子反射出去，這時被反射的光子再次照射到硅孔內壁的表面，形成二次照射，如此重復加大了對光子的收集，進而增強光的吸收[9]。Si MHs/Gr SD窄帶近紅外探測器的結構如圖 4所示。

圖 4 Si MHs/Gr SD光探測器結構示意圖.

光電特性是影響光電探測器的性能的主要因素，其中特性參數主要包括光譜響應、響應度、探測率、響應速度等[10]。

■2.1 光譜響應

光譜響應是指光陰極量子效率與入射波長之間的關系，可以展示光電探測器對不同波長入射光能有效轉換成電能的能力，其常用的單位為安培/瓦(A/W)。器件內部價帶電子吸收足夠多的光子能量，從而越過帶隙躍遷至導帶，形成光生電子空穴對，即光生電流。所以探測波長與半導體材料的禁帶寬度有關[11]。推導公式如下：

其中h是歸一化的普朗克常數，Eg是半導體材料的禁帶寬度（eV），c是指光束，λ是截止波長。本文對器件的結構進行優化，將結區做在底部采用背光式照射方法來實現窄帶探測。

Si MHs/Gr SD器件的歸一化光譜響應如圖5所示，器件具有明顯的窄帶近紅外響應，因為短波長的光照射到器件上被硅表面吸收，光生載流子很難被電極收集，對電流貢獻很小。將實驗結果與silvaco TCAD仿真結果對比發現，光譜響應曲線大致吻合，響應波峰均在 1064 nm 附近，半峰寬約為 96 nm。

圖5 Si MHs/Gr SD器件的光譜響應曲線與仿真結果對比.

■2.2 響應度與探測率

響應度(Responsivity，R)是衡量光電探測器光能轉化成電能效率的物理量。一般用光電探測器的輸出信號與入射光的功率之比來描述。響應度R越大表示該光電探測器的性能越好。其計算公式如下：

式中的Ip是器件的光電流，Id是器件暗電流，P是入射光的功率。

探測率（Detectivity，D）是衡量光電探測器探測能力的重要參數，其計算公式可以表示如下：

式中Id是光電探測器的暗電流，R為光電探測器的響應度，q為電荷量。從公式可以看出探測率D的值與響應度有很大關系，響應度R越大，探測率D越大。計算響應度和探測率往往需要先測試出光電探測器的電流輸出信號，即I-V特性曲線和I-T特性曲線[12]。

圖6(a)為Si MHs/Gr SD 光探測器在無光照和 1064 nm 光照下的 I-V 曲線，從圖中可以看出Si MHs/Gr SD器件具有優異的整流特性，并且在1064 nm波長光的照射下出現了明顯的光響應電流。圖6(b)、(c)分別為Si MHs/Gr SD在相同功率不同波長以及相同波長不同功率的 I-V 曲線對比，發現該器件只對近紅外光有響應，且隨著光功率的增大而增大，并在1064nm處趨于穩定。圖 6(d)是Si MHs/Gr SD與平面硅基器件的I-T特性曲線對比，可以明顯看出在1064 nm光照下Si MHs/Gr SD的光電流比平面硅基器件大一個數量級。這是因為硅微孔陷光結構加強了器件對近紅外光的收集，在結區內建電場的作用下，有利于分離光生載流子，形成較大的光電流。通過對比說明了硅微孔結構能夠很大幅度地增強對近紅外光的吸收，進而提高了近紅外響應性能。

圖6

圖6(e)是Si MHs/Gr SD器件和Si/Gr SD器件的響應度曲線。從圖中可以看出在紫外和可見光波段兩個器件均無響應。而在近紅外光照下Si MHs/Gr SD器件的響應度比Si/Gr SD器件大一個數量級以上。圖 6(f)是Si MHs/Gr SD器件在1064 nm波長光照下的響應度和探測率曲線，在-1V偏壓下響應度達到0.39 A/W，探測率高達3×1012Jones。這也體現了該器件強大的近紅外光響應性能。

■2.3 響應速度

本文對Si MHs/Gr肖特基結光電探測器的響應速度進行了系統研究。圖7(a)為不同脈沖光頻率（frequency，f）下的歸一化響應，從中可以看出Si MHs/Gr SD器件的-3dB 帶寬（BW）約為1.9 kHz。圖7(b)為 f=1kHz 、1.9kHz和 7 kHz 下的時間響應曲線，可以發現器件在這些脈沖光頻率照射下具有穩定的響應，光電響應信號幾乎沒有衰減。為了獲取器件的響應時間，選擇在帶寬范圍內的脈沖光頻率獲得的時間響應，如圖7(c)，從中可以估算Si MHs/Gr SD器件的上升時間和下降時間，分別是58 μs和196μs，這與當前報道的硅基光電探測器件的響應速度要快得多。

圖7

3 總結

本章通過三維仿真、光刻、刻蝕、石墨烯轉移、電極裝配等步驟制備出硅微孔陷光結構與石墨烯相結合的Si MHs/Gr肖特基結窄帶近紅外光探測器。通過測試系統地表征了該器件的光電特性，獲得如下成果：

(1)通過silvaco TCAD中的三維仿真工具Devedit 3D設計Si MHs/GrSD光探測器，并分析仿真結果得出硅微孔陣列的光場分布、產生率都遠遠強于平面硅。

(2)因為硅微孔陷光結構對近紅外光在結構上的高收集率，本文通過三維仿真、光刻、刻蝕、石墨烯轉移、電極制備等方式制備出Si MHs/Gr 肖特基結光探測器。制備的Si MHs/Gr SD光探測器對窄帶近紅外（980nm、1064nm）有優異的光響應特性，響應波長范圍約為800-1200 nm，其光響應波峰在1064 nm附近，半峰寬約為96 nm。

(3)硅微孔陷光結構提高了對光的收集，相對于平面硅響應度和探測率高7倍以上，-1V偏壓下，響應度和探測率分布高達0.39 A/W和3×1012Jones，遠遠超過普通硅基光電探測器。而且光探測器的光學帶寬（-3dB）為1.9 kHz，響應時間為58 μs。

Si MHs/Gr SD窄帶近紅外光探測器為微納結構在光電探測器上的應用提供了參考的價值。