基于碳化硅的PIN紫外光電探測(cè)器仿真介紹

隨著碳化硅等第三代半導(dǎo)體材料的制備和研究工作取得巨大的進(jìn)展，對(duì)基于碳化硅材料的紫外探測(cè)器件的研究得到了業(yè)界更多的關(guān)注。紫外探測(cè)器可以探測(cè)10nm-400nm波長(zhǎng)范圍的紫外光，“日盲”紫外探測(cè)器主要是用于探測(cè)中紫外內(nèi)波長(zhǎng)240nm-280nm的范圍。

因?yàn)榇髿鈱又信瘜訉?duì)200nm以下的深紫外線存在強(qiáng)烈的吸收，對(duì)流層和平流層之間的臭氧層會(huì)吸收200-300nm的紫外線，波長(zhǎng)在240-280nm的太陽(yáng)光被完全吸收無(wú)法到達(dá)地面，這個(gè)被完全吸收的紫外窗口被稱為“日盲”區(qū)，如果在這個(gè)“日盲”紫外窗口出現(xiàn)紫外光，就可以在沒(méi)有太陽(yáng)紫外輻射背景的情況下被有效探測(cè)。

同時(shí)，這種紫外探測(cè)器件對(duì)可見(jiàn)光和紅外光光譜區(qū)域也沒(méi)有響應(yīng)，這也就有效避免了其他光源干擾。除了“日盲”特性之外，相比較于光電倍增管和采用硅材料制備的增強(qiáng)型紫外探測(cè)器，SiC材料以其獨(dú)特的電學(xué)特性、光學(xué)特性，制備的紫外探測(cè)器還具有小巧輕便、構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低，在諸多軍事和民用領(lǐng)域有著極高的應(yīng)用潛力。本文將基于碳化硅的PIN紫外光電探測(cè)器的仿真進(jìn)行介紹。

碳化硅PIN光電探測(cè)器基本結(jié)構(gòu)

首先根據(jù)圖1典型PIN光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)圖構(gòu)建圖二的摻雜分布圖。為了使得光學(xué)仿真更加真實(shí)，圖中構(gòu)建了反射率百分百的鋁電極（玫紅色線），以及作為鈍化層的二氧化硅，并在器件表面覆蓋上空氣。

圖1

圖2

碳化硅之所以可以作為紫外探測(cè)器的重要原因在于其吸收系數(shù)在紫外波段較大，光學(xué)仿真前為了得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果我們查閱文獻(xiàn)對(duì)其紫外波段的吸收系數(shù)進(jìn)行校正，得到圖3碳化硅的光吸收系數(shù)。

圖3

光學(xué)仿真

根據(jù)圖3的吸收系數(shù)，我們構(gòu)建如圖4的光學(xué)仿真工程結(jié)構(gòu)，可以得到圖5的光學(xué)仿真結(jié)果。圖4中的wave為光波長(zhǎng)，設(shè)置仿真范圍從0.2um-0.4um（200nm-400nm），步長(zhǎng)設(shè)置為0.02um（20nm）。圖5中展示的是300nm波長(zhǎng)光在碳化硅中的光子吸收密度分布，在圖中也可以觀察到因?yàn)殡姌O產(chǎn)生衍射后光子吸收密度分布的變化。

圖4

圖5

仿真結(jié)果

經(jīng)過(guò)電學(xué)仿真后（電極條件設(shè)置為0V偏壓），可以得到如下圖6-圖8空穴電流密度，電場(chǎng)以及電勢(shì)分布圖。最后根據(jù)各波長(zhǎng)下的光電流結(jié)果可以計(jì)算得到圖9的光譜響應(yīng)曲線和QE曲線。

圖6

圖7

圖8

圖9

本文器件結(jié)構(gòu)參考廈門大學(xué)侯巖松碩士畢業(yè)論文