劉洋，于永強(qiáng)

（合肥工業(yè)大學(xué)微電子學(xué)院，安徽合肥,230601）

0 引言

光電探測(cè)器作為一種能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電器件，在軍事和民用方面都發(fā)揮著極其重要的作用[1]。其中，近紅外光電探測(cè)器被廣泛應(yīng)用于光纖通信、無(wú)人駕駛和生物識(shí)別等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。由于近紅外光電探測(cè)器只能在較小的光譜范圍內(nèi)感知光，即只檢測(cè)特定波長(zhǎng)內(nèi)的光，而對(duì)其他波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光產(chǎn)生拒絕或?qū)ζ渌獾奶綔y(cè)沒(méi)有響應(yīng)[2]。因此，窄帶近紅外光電探測(cè)器不僅可以很好的測(cè)量近紅外光信號(hào)，還能對(duì)環(huán)境光進(jìn)行濾除，具有很強(qiáng)的優(yōu)越性[3-4]。

通常實(shí)現(xiàn)窄帶探測(cè)有四種方法：（1）將光學(xué)濾波器與寬帶光電探測(cè)器相結(jié)合；（2）使用具有窄帶吸收特性的吸收器；（3）通過(guò)等離效應(yīng)增強(qiáng)選定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸收；（4）通過(guò)電荷收集變窄來(lái)控制外部量子效率（EQE）[5-6]。但是，高成本的濾波裝置和復(fù)雜的集成工藝讓窄帶探測(cè)器的探索受到諸多限制。本文利用Silvaco TCAD仿真軟件設(shè)計(jì)并優(yōu)化了硅微孔肖特基結(jié)光電二極管，實(shí)際制備了硅微孔/石墨烯肖特基窄帶近紅外光探測(cè)器，直接實(shí)現(xiàn)近紅外窄帶檢測(cè)。

1 探測(cè)器器件建模及仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)結(jié)的類(lèi)型，光電二極管可分為同質(zhì)結(jié)光電二極管，異質(zhì)結(jié)光電二極管和肖特基結(jié)光電二極管，本文介紹的窄帶近紅外探測(cè)器就是基于硅微孔陣列/石墨烯肖特基結(jié)光電二極管（Si MHs/Gr SD）。Silvaco TCAD作為一款功能強(qiáng)大的自動(dòng)化設(shè)計(jì)軟件，功能十分全面，本文利用其三維器件仿真功能，按照仿真流程進(jìn)行了器件的設(shè)計(jì)、分析及優(yōu)化。

■1.1 定義結(jié)構(gòu)及參數(shù)

三維器件編輯器DevEdit3D可以靈活控制器件結(jié)構(gòu)，利用其生成結(jié)構(gòu)一般分為三個(gè)步驟：首先，定義工作區(qū)面積，使用范圍為2800＊2400（x.max=2800，y.max=2400）；接著，分四個(gè)區(qū)域定義結(jié)構(gòu)（region1為正六邊形硅微孔陣列結(jié)構(gòu)區(qū)域，region2為硅體結(jié)構(gòu)區(qū)域，region3、4為電極結(jié)構(gòu)區(qū)域），在不同區(qū)域內(nèi)指定材料和摻雜，對(duì)region1、2設(shè)置數(shù)值為1e15的N型摻雜，對(duì)底電極設(shè)置石墨烯的功函數(shù)形成肖特基結(jié)；最后，自動(dòng)生成網(wǎng)格，如圖1所示。

圖1 硅微孔陣列/石墨烯肖特基二極管結(jié)構(gòu)生成圖

■1.2 提取器件特性

本文選取硅襯底內(nèi)的光場(chǎng)分布情況作為觀察對(duì)象來(lái)分析Si MHs/Gr SD的窄帶近紅外響應(yīng)機(jī)制，圖2為T(mén)onyplot3D顯示的三維結(jié)構(gòu)光場(chǎng)分布，通過(guò)色條中不同顏色對(duì)應(yīng)的光場(chǎng)強(qiáng)度可以明顯看出硅基內(nèi)部的光場(chǎng)分布結(jié)果。

圖2 三維器件結(jié)構(gòu)光場(chǎng)分布圖

■1.3 探測(cè)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真

本文模擬了在一組不同波長(zhǎng)光（520,650,780,808,980和1064 nm）照射下，不同的孔深、孔徑對(duì)二極管光場(chǎng)分布的影響。圖3為器件模型二維切面的光場(chǎng)分布對(duì)比圖，我們很容易看出：光場(chǎng)的分布與入射光的波長(zhǎng)密切相關(guān)，波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光具有更強(qiáng)的穿透力，能夠到達(dá)底部的肖特基結(jié)區(qū)，從而產(chǎn)生光生載流子并在內(nèi)建電場(chǎng)作用下出現(xiàn)光電流。因此，將硅微孔/石墨烯肖特基結(jié)區(qū)設(shè)置在硅基底部有利于實(shí)現(xiàn)窄帶近紅外響應(yīng)機(jī)制。圖3(a)、(b)和(c)為平面硅二極管和兩個(gè)不同硅孔深度二極管的光場(chǎng)分布，可以看出硅孔陷光結(jié)構(gòu)能夠明顯提升二極管對(duì)光的吸收，并且微孔越深，到達(dá)肖特基結(jié)區(qū)的光強(qiáng)度越強(qiáng)。圖3(d)、(e)的孔徑均大于圖3(c)的孔，色條的變化表明較大的孔徑同樣有助于改善對(duì)光的吸收效率。因此，相對(duì)于平面結(jié)構(gòu)，高深寬比（深寬比即微納結(jié)構(gòu)最大深度/寬度的比值）三維結(jié)構(gòu)具有更大的比表面積，在光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域有著更好的光吸收率[7]。

圖3

2 探測(cè)器制備與測(cè)試

■2.1 探測(cè)器的制備

基于器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真的結(jié)果，進(jìn)行了探測(cè)器的實(shí)際制備，具體參數(shù)為：N型輕摻硅基厚度為500μm，微孔尺寸為100 μm，孔深約為2 μm，孔間距為200μm。制備的過(guò)程主要可以分為構(gòu)建正六邊形硅微孔陣列結(jié)構(gòu)和裝配探測(cè)器電極兩個(gè)部分，大致步驟如下：首先，將規(guī)格為 1 cm×1 cm的硅片依次放入丙酮、酒精、去離子水中進(jìn)行超聲清洗并干燥處理；其次，在硅片中央均勻滴上負(fù)性光刻膠開(kāi)啟轉(zhuǎn)盤(pán)進(jìn)行勻膠，勻膠完畢置于100 ℃的烘干臺(tái)軟烘3分鐘；然后，把硅片在曝光機(jī)中曝光12秒并放入顯影液中顯影10秒；接著，通過(guò)ICP刻蝕系統(tǒng)進(jìn)行刻蝕，從而在硅基表面留下硅微孔陣列；最后，在硅基上表面均勻涂抹金屬材料銦鎵完成頂電極裝配，并將遷移率高、導(dǎo)電性好的底電極材料石墨烯濕法轉(zhuǎn)移到硅基下表面形成肖特基結(jié)[8]。

■2.2 六邊形硅微孔陣列結(jié)構(gòu)表征

圖4(a)為在光學(xué)顯微鏡下顯影后的硅微孔陣列結(jié)構(gòu)，可以看出光刻膠上六邊形微孔有較好的形狀效果，構(gòu)建出的硅微孔陣列規(guī)律性排列。圖4(b)為硅微孔結(jié)構(gòu)在電子掃描顯微鏡下的成像，可以更進(jìn)一步地看清刻蝕后的微孔陣列，精確測(cè)量得出孔尺寸約為110 μm，孔間距是尺寸大小的兩倍。圖4(c)為刻蝕時(shí)間10分鐘時(shí)，單一孔的孔徑和深度曲線，有兩個(gè)問(wèn)題值得注意：第一，孔內(nèi)壁并不是垂直的，而是有一定傾斜度的，這是因?yàn)镮CP刻蝕的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)各向異性刻蝕，得到的本就是陡直且有一定傾角的刻蝕側(cè)壁；第二，隨著刻蝕時(shí)間的增加，孔尺寸會(huì)些許變寬，這則是因?yàn)榭涛g氣體在對(duì)深度進(jìn)行刻蝕的同時(shí)也會(huì)在橫向范圍內(nèi)進(jìn)行一定程度地刻蝕。

圖4

3 探測(cè)器光電特性研究

光電特性是衡量光電探測(cè)器性能的重要指標(biāo)，可以通過(guò)各種參數(shù)表示出來(lái)，其中主要的參數(shù)包括I-V特性、I-T特性、響應(yīng)度等。

■3.1 探測(cè)器測(cè)試結(jié)果

圖5(a)、(b)分別為0V、-1V偏壓下，器件被光功率均為0.26 mW的一組不同波長(zhǎng)（365 nm、520 nm、808 nm、980 nm、1064 nm）光照射時(shí)的I-T曲線，可以看出在兩種偏壓下，制備的正六邊形Si MHs/Gr SD光電探測(cè)器都在入射光波長(zhǎng)為1064 nm時(shí)出現(xiàn)光生電流峰值，且在紫外和可見(jiàn)光波段沒(méi)有光電響應(yīng)。因此，可以得出制備的Si MHs/Gr SD探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的窄帶近紅外響應(yīng)特性，和上述仿真結(jié)果非常符合。圖5(c)為器件在不同功率1064 nm入射光下的I-V曲線，探測(cè)器具有較好的整流特性，并且對(duì)1064 nm光的響應(yīng)比較穩(wěn)定，隨著光功率的增強(qiáng)，光電流逐漸變大。

圖5

■3.2 窄帶近紅外響應(yīng)機(jī)制研究

為了深入研究器件的窄帶響應(yīng)機(jī)制，按照相同工藝制備了一個(gè)肖特基結(jié)區(qū)在硅基頂部（Gr/Si MHs SD）的光電探測(cè)器進(jìn)行對(duì)比。圖6(a)、(b)分別為0V、-1V偏壓下，Gr/Si MHs SD探測(cè)器被光功率為0.26 mW的一組不同波長(zhǎng)（365 nm、520 nm、650 nm、980 nm、1064 nm）光照射時(shí)的I-T曲線，器件從紫外到紅外波段范圍內(nèi)均產(chǎn)生光電響應(yīng)，且在650 nm的可見(jiàn)光處出現(xiàn)最大光電流。圖6(c)為兩種探測(cè)器在-1V偏壓下，被光功率為0.17mW、波長(zhǎng)為1064 nm的光照射時(shí)的I-T對(duì)比曲線，可以明顯看出Si MHs/Gr SD光電探測(cè)器的光生電流更大，數(shù)值約為Gr/Si MHs SD探測(cè)器的3倍。因此，通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證了將硅/石墨烯肖特基結(jié)區(qū)設(shè)置在硅基底部可以實(shí)現(xiàn)自濾光的窄帶近紅外檢測(cè)效果，而且對(duì)近紅外光具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性能。

圖6

■3.3 近紅外響應(yīng)性能研究

為了進(jìn)一步對(duì)Si MHs/Gr SD探測(cè)器的近紅外響應(yīng)進(jìn)行研究，同時(shí)揭示硅微孔陣列結(jié)構(gòu)在提升近紅外探測(cè)性能方面的重要意義，制備了平面硅/石墨烯肖特基結(jié)(Planar Si/Gr SD)光電探測(cè)器與Si MHs/Gr SD光電探測(cè)器進(jìn)行對(duì)比。圖7(a)為兩種器件在功率為0.17mW、波長(zhǎng)為1064 nm入射光下的I-V對(duì)比曲線，Si MHs/Gr SD探測(cè)器的光電響應(yīng)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Planar Si/Gr SD探測(cè)器，甚至在-2V偏壓下高出1個(gè)數(shù)量級(jí)。圖7(b)為-1V偏壓時(shí)，兩種器件在不同功率1064 nm入射光下的光電流對(duì)比曲線，Si MHs/Gr SD光電探測(cè)器均在數(shù)值上高出3至4倍。為了更好地對(duì)比兩種器件的近紅外響應(yīng)性能，計(jì)算了不同功率的器件響應(yīng)度并將數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，如圖7(c)顯示。和以上的對(duì)比結(jié)果一致，同樣是Si MHs/Gr SD探測(cè)器優(yōu)于Planar Si/Gr SD器件，在0V偏壓下的響應(yīng)度為52 mA/W。因此，通過(guò)對(duì)比有力地說(shuō)明了硅微孔結(jié)構(gòu)在對(duì)近紅外光的吸收上起到了顯著的增強(qiáng)作用，使器件具有良好的光伏特性，從而大大提高了近紅外響應(yīng)性能。

圖7

4 結(jié)論

通過(guò)在硅基上表面構(gòu)建正六邊形微孔陣列結(jié)構(gòu)和濕法轉(zhuǎn)移石墨烯到硅基下表面形成硅/石墨烯肖特基結(jié)的方式，制備了正六邊形Si MHs / Gr SD窄帶近紅外光電探測(cè)器，器件特性表征證明了設(shè)置肖特基結(jié)在硅基底部實(shí)現(xiàn)窄帶近紅外響應(yīng)機(jī)制的必要性和硅微孔陷光結(jié)構(gòu)對(duì)提升近紅外波段光電響應(yīng)的重要作用，與仿真結(jié)果基本一致。制備的器件實(shí)現(xiàn)了自驅(qū)動(dòng)、可見(jiàn)光盲、自濾光的窄帶近紅外光電響應(yīng)，響應(yīng)的中心波長(zhǎng)在1064 nm附近，-2V偏壓下的光電流為0.167mA，0V偏壓下的響應(yīng)度為58mA/W，遠(yuǎn)好于Planar Si/Gr SD和Gr/Si MHs SD兩類(lèi)器件。由于Si MHs / Gr SD探測(cè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于集成，對(duì)近紅外光具有高辨識(shí)能力，因此制備該器件的工藝與技術(shù)在集成近紅外光電探測(cè)器方面具有巨大的潛力。