摘 要：金屬-半導(dǎo)體-金屬（metal-semiconductor-metal，MSM）紫外探測(cè)器在紫外殺毒、光纖通信、導(dǎo)彈追蹤和航空航天等方面具有廣泛的應(yīng)用。根據(jù)傳統(tǒng)MSM紫外探測(cè)器設(shè)計(jì)了一種基于氮化鋁（aluminum nitride，AlN）的3D結(jié)構(gòu)器件（3D-MSM），然后設(shè)計(jì)了不同電極間距（1、5、10和15 μm）MSM器件和3D-MSM器件，并采用APSYS仿真軟件分析了AlN基傳統(tǒng)MSM器件和3D-MSM器件光電流、暗電流、響應(yīng)度、時(shí)間光電響應(yīng)及外量子效率等性能參數(shù)對(duì)器件性能的影響規(guī)律。仿真結(jié)果表明，采用3D結(jié)構(gòu)后，器件內(nèi)部電場(chǎng)分布及載流子遷移路徑發(fā)生變化，器件的響應(yīng)度得到加強(qiáng)，響應(yīng)時(shí)間縮短，而電極間距越大，3D-MSM器件的光電性能相對(duì)于MSM器件的改善越顯著。

關(guān)鍵詞：金屬-半導(dǎo)體-金屬；AlN；3D；紫外探測(cè)器；響應(yīng)度

中圖分類號(hào)：TN23""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Design and simulation of AlN-based 3D-MSM UV detectors with different electrode spacings

Abstract： Metal-semiconductor-metal （MSM） UV detectors are commonly employed in various fields， including UV antivirus applications， optical fiber communication， missile tracking， and aerospace. A 3D-MSM UV detector utilizing aluminum nitride （AlN） was designed based on the traditional MSM architecture. This study created MSM and 3D-MSM detectors with varying electrode spacings of 1， 5， 10， and 15 μm and utilized APSYS simulation software to analyze how different performance parameters—such as photocurrent， dark current， responsivity， photoelectric response time， and external quantum efficiency—affect the performance of both AlN-based traditional MSM detectors and 3D-MSM detectors. The simulation results indicate that the introduction of the 3D structure modifies the internal electric field distribution and the carrier migration path within the device， resulting in improved responsivity and reduced response time of detectors. Moreover， the data suggest that the larger the electrode spacing， the more pronounced the enhancement in the photoelectric performance of the 3D-MSM detector compared to that of the traditional MSM detector.

Key words： metal-semiconductor-metal; GaN; AlN; 3D; UV detector; responsivity

紫外探測(cè)器廣泛應(yīng)用于太空探索、輻射監(jiān)測(cè)、導(dǎo)彈制導(dǎo)以及紫外殺菌等領(lǐng)域。金屬-半導(dǎo)體-金屬（metal-semiconductor-metal，MSM）紫外探測(cè)器相比于雪崩光電二極管（avalanche photodiode，APD）和正-本征-負(fù)（positive-intrinsic-negative，PIN）探測(cè)器，其量子效率更高，響應(yīng)速度更快，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作，適用于光電子集成電路和高速光纖通信系統(tǒng)等領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料受自身禁帶寬度低、難以耐受高溫高壓環(huán)境的限制，在光電子領(lǐng)域中的應(yīng)用也受到了很多制約。Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體（GaN、AlN）相較于其他半導(dǎo)體材料擁有更寬的禁帶、高熱導(dǎo)率和高絕緣性等優(yōu)勢(shì)[2-3]，三元合金AlGaN通過調(diào)節(jié)成分中Al的含量，可以實(shí)現(xiàn)自身的禁帶寬度在3.4～6.2 eV之間的變化[4]，因此，氮化鋁（aluminum nitride，AlN）材料可以用于制備高響應(yīng)度、高靈敏度的紫外探測(cè)器[5]。MONROY等[6]首次成功制備了一種抑制比達(dá)到104數(shù)量級(jí)可見光盲的MSM型紫外探測(cè)器。這一成果揭示了MSM結(jié)構(gòu)探測(cè)器在高度抑制比和快速響應(yīng)方面的顯著優(yōu)勢(shì)。由此，MSM結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)锳lGaN基紫外探測(cè)器研究的焦點(diǎn)。房萬年等[7]研究了不同電極間距對(duì)MSM型紫外探測(cè)器件的探測(cè)性能的影響，電極間距的增加增大了器件的感光面積，促進(jìn)了器件的光電流。梁瑤等[8]的研究表明在GaSe光電探測(cè)器中，電極間距的減小有利于增大器件的響應(yīng)度和開關(guān)比。在傳統(tǒng)MSM器件的基礎(chǔ)上，經(jīng)過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果的深入分析，能夠確定最合適的器件結(jié)構(gòu)參數(shù)。同時(shí)，還可以將此方法應(yīng)用于其他類型器件中，從而提高其性能。Apsys、Silvaco TCAD、Comsol等均適用于對(duì)半導(dǎo)體器件的仿真分析。在仿真過程中可以通過仿真軟件調(diào)整和優(yōu)化器件各項(xiàng)參數(shù)，獲取器件各項(xiàng)性能指標(biāo)，并將其用于MSM器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電流密度評(píng)估，以此提高器件的性能[9-13]，并且能夠得到不同摻雜條件以及不同器件結(jié)構(gòu)參數(shù)下的器件光電性能變化規(guī)律[14-15]。從載流子動(dòng)力學(xué)方面分析，仿真計(jì)算可以得到AlN材料的帶隙寬度和高飽和速度[16]。已有的關(guān)于MSM器件研究主要集中在研究材料制備方式、摻雜以及表面修飾對(duì)器件性能的影響，相較于以往的MSM器件研究，采用了一種全新的3D結(jié)構(gòu)。3D結(jié)構(gòu)可以改善器件的電場(chǎng)分布和載流子遷移路徑，增加光生載流子收集效率，從而提高器件的光電響應(yīng)性能。

1 仿真結(jié)構(gòu)與理論模型

1.1 仿真結(jié)構(gòu)

AlN基MSM探測(cè)器的仿真結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，器件表面積設(shè)置為400 μm×400 μm，襯底采用藍(lán)寶石材料。在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)一層1.5 μm厚的AlN薄膜，并在AlN薄膜上制作對(duì)稱金屬電極。設(shè)定AlN材料禁帶寬度參數(shù)為6.2 eV，基于傳統(tǒng)MSM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種3D-MSM器件，摻雜濃度設(shè)為1×1014 cm-3，這種3D結(jié)構(gòu)能夠有效地增強(qiáng)MSM器件的性能，其結(jié)構(gòu)見圖1（b），仿真過程中所有的3D-MSM器件的刻蝕深度均采用0.5 μm。由于3D-MSM器件的金屬電極沉積在AlN材料上，這種結(jié)構(gòu)可以對(duì)AlN材料中光生載流子的遷移路徑進(jìn)行優(yōu)化，并且在一定程度上改善器件內(nèi)部的電場(chǎng)分布，進(jìn)而達(dá)到增加器件的光電響應(yīng)特性的目的。在對(duì)不同電極材料AlN基MSM器件和3D-MSM器件進(jìn)行仿真分析的過程中，統(tǒng)一設(shè)定器件的電極間距為15 μm，對(duì)稱電極的材料選擇Ni-Ni，光功率密度為5 μW/cm2?？紤]到實(shí)驗(yàn)過程中可能存在隧穿效應(yīng)，本模型適用于非故意摻雜半導(dǎo)體材料器件。

1.2 理論模型

在MSM器件中，金屬與半導(dǎo)體接觸界面的勢(shì)壘高度在一定程度上決定了MSM器件的光電性能，因此，對(duì)金屬與半導(dǎo)體（MS）接觸面勢(shì)壘高度進(jìn)行了設(shè)置。對(duì)于理想的MS接觸，金屬側(cè)電子會(huì)向半導(dǎo)體側(cè)轉(zhuǎn)移，引發(fā)能帶彎曲，直至費(fèi)米能級(jí)相平[7]，金屬與半導(dǎo)體形成的勢(shì)壘高度qφns為

qφns=Wm－χ（1）

式中：Wm為金屬功函數(shù)（Ni功函數(shù)為5.1 eV）；χ為AlN材料的親和勢(shì)（一般為0.6 eV）。

一般來說，MSM紫外探測(cè)器的暗電流主要來自于熱電子發(fā)射，由半導(dǎo)體進(jìn)入金屬的電子所形成的電流密度Jst為

式中：A*為有效理查遜常數(shù)，A/（cm2·K2）。

光電流大小可以根據(jù)式（3）確定：

式中：A為器件受光面積；A*為有效的理查遜常數(shù)；φb為肖特基勢(shì)壘高度；Δφb為φb在一定條件下的減少；q為電子電荷；V為施加的電壓；n為理想因子；Iλ為主電流。

紫外探測(cè)器響應(yīng)度R可以通過式（4）計(jì)算：

式中：Id、Pin和A分別為暗電流、入射光功率密度和器件受光面積。

外部量子效率可以通過式（5）計(jì)算：

式中：Popt為光功率；h是普朗克常數(shù)；v是光頻率。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 傳統(tǒng)MSM紫外探測(cè)器仿真分析

采用上述方法，在-20～20 V的電壓掃描下對(duì)MSM紫外探測(cè)器的主要參數(shù)進(jìn)行了仿真。根據(jù)AlN材料參數(shù)和電極接觸勢(shì)壘高度，估算出器件耗盡區(qū)寬度為1 μm左右，電極間距選擇為1～15 μm。圖2（a）為MSM器件的暗電流的仿真結(jié)果，仿真結(jié)果顯示，在20 V的偏壓下，隨著電極間距從1 μm增加到15 μm，器件的暗電流由5×10-11 A逐漸減少至2×10-12 A，這一結(jié)果表明，隨著電極間距的增加，器件暗電流顯著減小。這一現(xiàn)象可以解釋為，由于AlN材料的光生載流子壽命僅為10-8 s，不利于收集光生載流子，同時(shí)，過大的電極間距會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體材料單位面積上的電場(chǎng)強(qiáng)度降低，進(jìn)一步導(dǎo)致暗電流減小。圖2（b）展示了MSM器件在-20～20 V電壓掃描下的光電流仿真結(jié)果，在20 V的偏壓下，電極間距的增加導(dǎo)致光電流明顯減小，電極間距從1 μm增加到15 μm時(shí)，器件的光電流從2.6×10-8 A減小到1.8×10-9 A。這同樣是由于電場(chǎng)強(qiáng)度的減弱不利于光生載流子的收集，因此造成光電流減小。

由圖2（c）可以看出，在8 V偏壓條件下，所有MSM器件在197 nm波長(zhǎng)處都表現(xiàn)出了最高的光響應(yīng)度，并且在200 nm波長(zhǎng)時(shí)急劇下降。數(shù)據(jù)分析表明，當(dāng)電極間距從1 μm增加到5 μm時(shí)，光響應(yīng)度的變化不顯著；然而，當(dāng)電極間距進(jìn)一步增加到15 μm時(shí)，光響應(yīng)度對(duì)比其他間距顯著下降。具體來看，當(dāng)電極間距分別為1、5、10和15 μm時(shí)，對(duì)應(yīng)MSM器件的光響應(yīng)度分別為56、55、40和34 mA/W。

在圖3（a）中展示了不同電極間距MSM器件的時(shí)間-光電響應(yīng)特性，當(dāng)光源開啟后，可以觀察到，隨著電極間距的減小，穩(wěn)態(tài)光電流顯著增加。具體來說，在電極間距從1 μm增加到15 μm的情況下，MSM器件的開/關(guān)電流比從2.75×103 A急劇減小到80 A。這一現(xiàn)象可以解釋為，隨著電極間距的增加，器件能夠收集到的光生載流子數(shù)量大幅度減少。由圖3（b）可以看出，MSM器件的外量子效率與其光響應(yīng)度具有相似的變化規(guī)律，這一現(xiàn)象可以解釋為AlN材料禁帶寬度對(duì)應(yīng)的吸收光波長(zhǎng)約為200 nm，因此，MSM器件在200 nm波長(zhǎng)附近外量子效率急劇下降。具體來看，在器件電極尺寸從15 μm減小到5 μm的過程中，小于200 nm光波長(zhǎng)的外量子效率顯著提升，提升大約10%。然而，當(dāng)電極尺寸進(jìn)一步從5 μm減小到1 μm時(shí)，外量子效率僅提升1%。這可能是因?yàn)殡姌O間距小于5 μm時(shí)，除了因材料缺陷損失和遷移過程中復(fù)合損失外，其他的光生載流子幾乎全部被電極收集，所以，進(jìn)一步減小電極間距對(duì)器件光電性能的提升作用不再顯著。

在MSM器件中，施加于兩個(gè)電極之間的等值外部驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)因電極間距的不同而形成強(qiáng)弱不等的電場(chǎng)。在一定載流子濃度下，電場(chǎng)強(qiáng)度的提升能夠顯著增加光生載流子的收集效率。圖4展示了具有4種不同電極間距的MSM器件的電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況。可見，電壓主要集中于兩個(gè)電極間的AlN層和正電極下的AlN材料中，這歸因于AlN的高電阻特性。從圖4可見，在10 V偏壓作用下，隨著電極間距的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度分布逐漸從兩個(gè)電極之間轉(zhuǎn)移至電極下方，并且在光照表面以下0～200 nm的吸收層內(nèi)，AlN材料中的電場(chǎng)強(qiáng)度減弱。因此，電極間距的減小會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，這有利于促進(jìn)光生載流子的收集。

2.2 不同電極尺寸和電極間距3D-MSM器件性能分析

在3D MSM器件的仿真過程中，電極間距設(shè)置與傳統(tǒng)MSM器件保持一致，刻蝕深度保持為0.5 μm。如圖5（a）和5（b）所示，在20 V偏壓作用下，隨著電極間距從15 μm減少到1 μm，暗電流從6×10-12 A增加到1×10-10 A，光電流從2.1×10-9 A增加到3.5×10-8 A。與傳統(tǒng)的MSM器件相比，3D-MSM器件在光電流與暗電流方面均有顯著提升，這得益于金屬電極在AlN中的沉積，這一設(shè)計(jì)有效地優(yōu)化了3D-MSM器件的內(nèi)部電場(chǎng)分布，并改善了光生載流子在AlN材料中的遷移路徑。圖5（c）和5（d）分析了不同電極間距的3D-MSM器件外量子效率和光響應(yīng)度的關(guān)系。由圖5可以看出，3D-MSM器件的光響應(yīng)度和外量子效率的變化趨勢(shì)與傳統(tǒng)MSM器件非常相似。如圖5（e）所示，當(dāng)電極間距為1 μm時(shí)，3D-MSM器件與傳統(tǒng)MSM器件的光響應(yīng)度大致相當(dāng)，但隨著電極間距不斷增大，3D-MSM器件的光響應(yīng)度方面相較于傳統(tǒng)MSM器件展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)，在電極間距達(dá)到15 μm時(shí)，3D-MSM器件的光響應(yīng)度較傳統(tǒng)MSM器件提升了27%。

在8 V的恒定偏壓下，當(dāng)電極間距從1 μm逐漸增加到15 μm時(shí)，如圖6所示，光響應(yīng)時(shí)間和弛豫時(shí)間都呈現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，3D-MSM器件的光響應(yīng)時(shí)間從0.65 ns增加到8.80 ns，弛豫時(shí)間從0.94 ns增加到8.10 ns。這一現(xiàn)象可以解釋為隨著電極間距的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度降低，而當(dāng)載流子的遷移速率保持恒定時(shí)，遷移路徑與響應(yīng)時(shí)間成正比。因此，隨著電極間距的增大，載流子的遷移路徑變長(zhǎng)，進(jìn)而使得響應(yīng)時(shí)間增加。此外，當(dāng)光源關(guān)閉后，由于電極間距的增加大，AlN中殘留的光生載流子數(shù)量增多，使得器件難以達(dá)到暗場(chǎng)靜態(tài)電流，延長(zhǎng)了弛豫時(shí)間。

通過對(duì)比4種不同電極間距MSM器件和3D-MSM器件的光響應(yīng)時(shí)間和弛豫時(shí)間，由圖7可以看出，無論是MSM器件還是3D-MSM器件均具有非常迅速的光響應(yīng)時(shí)間和弛豫時(shí)間。然而，由于3D-MSM器件的3D結(jié)構(gòu)器件內(nèi)部電場(chǎng)分布及載流子遷移路徑發(fā)生變化，顯著提高了光生載流子收集效率，隨著電極間距縮短到1 μm，在8 V的偏壓下，3D-MSM器件的光響應(yīng)時(shí)間最高可以縮短38.1 %，而光響應(yīng)弛豫時(shí)間最高可縮短55.2 %。這些優(yōu)勢(shì)使得3D-MSM器件相較于傳統(tǒng)MSM器件展現(xiàn)出更為卓越的性能。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種AlN基3D-MSM紫外探測(cè)器，通過改變MSM器件和3D-MSM器件的電極間距（1、5、10和15 μm），利用APSYS仿真軟件分析AlN基傳統(tǒng)MSM器件和3D結(jié)構(gòu)器件（3D-MSM）光電流、暗電流、響應(yīng)度、時(shí)間光電響應(yīng)及外量子效率等性能參數(shù)對(duì)器件性能的影響規(guī)律。仿真結(jié)果表明，在電極間距達(dá)到15 μm時(shí)，3D-MSM器件的光響應(yīng)度相較于傳統(tǒng)MSM器件光響應(yīng)度提高了27%，這是由于3D結(jié)構(gòu)的引入改變了MSM器件中光生載流子的遷移路徑，顯著增強(qiáng)了電極間電場(chǎng)強(qiáng)度。這些改進(jìn)共同增強(qiáng)了器件響應(yīng)度，并縮短了器件響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)隨著電極間距的減小，3D-MSM器件相對(duì)MSM器件光電性能提升更加顯著。同時(shí)，隨著電極間距縮短到1 μm，8 V偏壓下的光響應(yīng)時(shí)間最高可以縮短38.1%，光響應(yīng)弛豫時(shí)間最高可縮短55.2%。

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