摘 要：【目的】為降低暗電流，改善器件性能，對不同的倍增層Si摻雜濃度在電場分布、暗電流和響應(yīng)度等性能方面的影響進行探討，以獲得摻雜濃度的最優(yōu)值。【方法】利用半導(dǎo)體仿真軟件Silvaco-TCAD深入探討了倍增層Si摻雜濃度對β-FeSi2/Si近紅外探測器性能的影響規(guī)律?！窘Y(jié)果】隨著倍增層摻雜濃度的提升，倍增層內(nèi)部電場強度峰值逐漸增加，暗電流密度與電容值也將相應(yīng)提高，光響應(yīng)度基本保持不變。進一步研究表明，當(dāng)倍增層摻雜濃度為1×1015 cm-3時，器件獲得良好的性能，暗電流密度為9.93×10-6 A/cm2，在波長為1.5 μm時，光響應(yīng)度和比探測率分別為0.445 2 A/W和1.77×1011 cm·Hz1/2W-1?！窘Y(jié)論】研究結(jié)果對制備高性能的β-FeSi?/Si紅外探測器具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：摻雜濃度；倍增層；暗電流；紅外探測器

中圖分類號：TN215" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）01-0073-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.01.014

Study of the Effect of Si Concentration in the Multiplication Layer on the Performance of β-FeSi2/Si Infrared Detectors

ZHU Zhaoyang YE Wei PENG Huilong CHEN Yukun

（School of Mechanical Engineering， Shaanxi University of Science and Technology， Hanzhong 723001， China）

Abstract： [Purposes] In order to reduce the dark current and improve the performance of the device， the effects of different multiplication layer Si doping concentration on its performance in terms of electric field distribution， dark current and responsivity are explored to obtain the optimal value of doping concentration. [Methods] The influence of the multiplication layer Si doping concentration on the performance of β-FeSi2/Si near-infrared detector is deeply explored by using the semiconductor simulation software Silvaco-TCAD. [Findings] The results show that with the increase of the doping concentration of the multiplication layer， the peak electric field intensity inside the multiplication layer gradually increases， and the dark current density and capacitance value will be increased accordingly， while the optical responsivity remains basically unchanged. Further studies show that when the doping concentration of the doubling layer is 1×1015 cm-3， the device obtains good performance with a dark current density of 9. 93×10-6 A/cm2， and the photoresponsivity and specific detectivity at a wavelength of 1.5 μm are 0.445 2 A/W and 1. 77×1011 cm·Hz1/2 W-1， respectively. [Conclusions] The results of the study are of guiding significance for the future preparation of high-performance β-FeSi?/Si infrared detectors.

Keywords： doping concentration; multiplication layer; dark current; infrared detector

收稿日期：2024-10-31

基金項目：陜西省教育廳重點實驗室項目（16JS016）；陜西省教育廳專項科研計劃（18JK0151）；陜西“十四五”教育科學(xué)規(guī)劃2022年度課題（SGH22Y1351）。

作者簡介：朱朝陽（1999—），男，碩士生，研究方向：半導(dǎo)體光電器件。

通信作者：葉偉（1977—），男，博士，副教授，研究方向：功能材料與器件、儲能材料與器件、傳感器。

0 引言

紅外探測技術(shù)作為一項重要的信息獲取和傳感技術(shù)，在軍事、安防、醫(yī)學(xué)、工業(yè)和科學(xué)研究等領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用［1］。隨著社會進步與科技發(fā)展，人們對環(huán)境感知、目標(biāo)識別和無損檢測［2］的需求日益增加，對高性能、高靈敏度的紅外探測器的需求也不斷增長。目前，近紅外探測器主要由CdTe［3］、PbS［4］、InGaAs［5］等材料制成，這些材料在近紅外波段具有優(yōu)良的光電特性，但均含有重金屬元素且在地殼中含量較低，大量運用可能導(dǎo)致資源短缺和環(huán)境污染等問題［6］。

在這一背景下，β-FeSi?因其優(yōu)異的光電性能、生態(tài)友好的特性和低成本優(yōu)勢 ［7］，以及與Si的晶格失配小 ［8］，因而與成熟的Si工藝兼容性極高的特點［9］，使得β-FeSi?/Si紅外探測器廣受關(guān)注。倍增層的內(nèi)部參數(shù)對紅外探測器的電學(xué)和光學(xué)性能均有顯著影響，為進一步提升β-FeSi?/Si紅外探測器的性能，倍增層的設(shè)計和優(yōu)化顯得尤為關(guān)鍵。王航等［10］研究了倍增層的厚度對In0.53Ga0.47As/InP雪崩二極管性能的影響，減少了擊穿電壓和貫穿電壓；蔣毅等［11］通過研究了倍增層對InAlAsSb SACM雪崩光電二極管的暗電流和增益的影響，降低了器件的暗電流并提升了增益；Naseem等［12］通過對倍增層In 0.52 Al 0.48 As進行優(yōu)化，使得APD 的暗電流降低、響應(yīng)速度提升。

目前，關(guān)于倍增層Si摻雜濃度對SAM結(jié)構(gòu)β-FeSi2/Si紅外探測器性能的影響鮮有報道。因此，本研究通過仿真模擬方法，研究6種不同的倍增層Si摻雜濃度，分別為4×1014 cm-3、6×1014 cm-3、8×1014 cm-3、1×1015 cm-3、2×1015 cm-3和4×1015 cm-3，對其在電場分布、暗電流和響應(yīng)度等性能方面的影響進行探討，并通過比較不同摻雜濃度下的性能表現(xiàn)，獲得摻雜濃度的最優(yōu)值。

1 器件與仿真模型

β-FeSi2/Si SAM-APD的結(jié)構(gòu)如圖1所示。使用高摻雜的3.5 μm厚的N型Si襯底可提供良好的電子傳輸性能和較低的電阻。為平滑界面并減少由晶格不匹配引起的應(yīng)力，采用1 μm厚的N型Si緩沖層。同時，為了增強電子倍增效應(yīng)，引入了2 μm厚的N型Si倍增層。此外，4 μm厚的P型β-FeSi2吸收層用于吸收入射光并產(chǎn)生電子空穴對。摻雜濃度較高的0.5 μm厚的P型β-FeSi2薄膜作為接觸層，可以實現(xiàn)低電阻的歐姆接觸。

本研究綜合考慮了紅外探測器器件的電學(xué)和光學(xué)性能，選擇了與器件特性相符的俄歇復(fù)合模型和Shockley-Read-Hall（SRH）復(fù)合模型等。在統(tǒng)計分布方面，采用了費米-狄拉克統(tǒng)計，并使用Newton迭代法進行計算［13］。具體的材料參數(shù)見表1。

2 結(jié)果與討論

器件的能帶結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2采用的是一維坐標(biāo)系，其中p-β-FeSi2接觸層的頂部被設(shè)為坐標(biāo)原點。吸收層位于接觸層下方，其相對于原點的位置可以描述為負(fù)向。吸收層的厚度為La，表示了它在垂直方向上的尺寸。同時，倍增層位于吸收層下方，其厚度為Lm。倍增層的位置和尺寸可以描述為相對于吸收層的相對位置。在器件的仿真過程中，假設(shè)入射光在耗盡區(qū)域內(nèi)被完全吸收，隨后的載流子會通過漂移過程到達倍增層的位置，并在Lm范圍內(nèi)發(fā)生倍增效應(yīng)。

器件性能受倍增層內(nèi)部電場的調(diào)節(jié)極為重要，吸收層和緩沖層在內(nèi)部電場調(diào)節(jié)方面的作用相對較小，主要的影響因素在于倍增層的內(nèi)部參數(shù)［14］。不同倍增層摻雜濃度下的電場分布如圖3所示。由圖3可知，在不同倍增層摻雜濃度條件下，器件

中的電場分布呈現(xiàn)出不同的特征。研究結(jié)果表明，當(dāng)摻雜濃度從4×1014 cm?3增加到4×1015 cm?3時，倍增層電場強度峰值從1.02×105" V/cm增加到1.36×105" V/cm。隨著摻雜濃度的提高，電場強度在倍增層中的峰值也隨之增加。然而，摻雜濃度一旦超過1×1015 cm-3，器件的電場分布隨著摻雜濃度的增加而變得陡峭和不均勻，這是由于隨摻雜濃度的增加，耗盡區(qū)寬度減小，使得部分區(qū)域電場強度不足，從而導(dǎo)致電場分布變得陡峭和不均勻 。因此，為保證器件電場的穩(wěn)定性，倍增層摻雜濃度不宜超過1×1015" cm-3。

不同倍增層摻雜濃度下的暗電流密度如圖4所示。由圖4可知，摻雜濃度從4×1014 cm?3增加到6×1014 cm?3時，對應(yīng)的暗電流密度增長5.3%，從8.62×10-6 A/cm2增加到9.08×10-6A/cm2。進一步增加摻雜濃度至8×1014 cm?3，暗電流密度繼續(xù)增加，增幅為4.6%，從9.08×10-6A/cm2增至9.5×10-6A/cm2。隨后，當(dāng)摻雜濃度從8×1014cm?3增至1×1015cm?3時，暗電流密度再次上升，增幅為4.5%，從9.5×10-6 A/cm2增至9.93×10-6A/cm2。然而，從1×1015cm?3增加至2×1015cm?3時，暗電流密度顯著增加，增幅達到14.7%，從9.93×10-6A/cm2急劇上升至1.14×10-5A/cm2，。從2×1015cm?3上升至4×1015cm?3時，暗電流密度從1.14×10-5A/cm2增大到1.29×10-5A/cm2時，增幅達到13.16%。這是由于摻雜濃度的增大，導(dǎo)致倍增層內(nèi)部電場分布變得不均勻，影響了載流子的有效分離和收集，從而無法有效抑制復(fù)合電流的生成，使得器件的暗電流增加。倍增層摻雜濃度的增加對器件暗電流性能產(chǎn)生了顯著影響，因此需要在器件設(shè)計和優(yōu)化中進行精確控制，以實現(xiàn)性能與穩(wěn)定性的平衡。

不同摻雜方式下倍增層反向偏壓下的光譜響應(yīng)如圖5所示。結(jié)果表明，在gt;1.8μm的波長范圍內(nèi)，光譜響應(yīng)與摻雜無關(guān)。在倍增層摻雜濃度為1×1015cm?3時，在0.4～1.8 μm波長范圍內(nèi)，光響應(yīng)度在0.4 μm的值為0.0158 9 A/W，在波長1.5 μm處達到峰值0.4 452 A/W，最后在波長1.8 μm處截止，并且隨著倍增層摻雜濃度從4×1014 cm?3增大到4×1015 cm?3時，光譜響應(yīng)在波長為1.5 μm處的光響應(yīng)度峰值從0.445 13 A/W增大到0.445 4 A/W，僅增加了0.000 27 A/W。出現(xiàn)這種變化的原因是隨著倍增層摻雜濃度的提高，耗盡區(qū)向P型β-FeSi2吸收層的擴展會減小，較小的耗盡區(qū)意味著更少的光生載流子通過耗盡區(qū)擴散進入倍增區(qū)，從而限制了光信號在器件中的擴散和放大，導(dǎo)致光響應(yīng)度峰值略微增加。

不同倍增層摻雜濃度的瞬態(tài)響應(yīng)如圖6所示。結(jié)果表明，隨著摻雜濃度從4×1014cm?3增大到4×1015cm?3，器件的穩(wěn)態(tài)電流從2.278×10-12A增大到2.478×10-12A。圖6中的嵌入圖顯示了隨摻雜濃度從4×1014cm?3增大到4×1015cm?3時，器件的響應(yīng)時間也逐漸縮短。出現(xiàn)這種變化的原因是高摻雜濃度導(dǎo)致載流子濃度增多，進而提高了導(dǎo)電性，從而增加了穩(wěn)態(tài)電流。然而，較高的摻雜濃度也會導(dǎo)致電場分布不均勻，增加載流子的散射概率，從而降低器件的響應(yīng)時間。

品質(zhì)因子（R0A）是一項關(guān)鍵指標(biāo)，用于衡量光電器件的性能。其值為零偏壓下的RdA值，計算公式為式（1）。

[RdA=KT/qJ0] （1）

式中：[K]被稱為玻爾茲曼系數(shù)；[T]代表溫度；[q]表示電荷的單位量；[J0]代表飽和暗電流密度。

室溫下的R0A值由式（1）進行計算。不同倍增層摻雜濃度下的微分電阻面積如圖7所示。研究結(jié)果表明，隨著摻雜濃度從4×1014 cm?3增大到4×1015 cm?3，其R0A值從3 001.5 Ω·cm2減小到200 2.8 Ω·cm2。這種變化可以通過式（1）來解釋，隨著摻雜濃度的提高，器件的暗電流密度也隨之增加。因此，根據(jù)式（1），暗電流密度的增加直接導(dǎo)致R0A值降低。

光敏度是評估光電器件性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，通常用比探測率來進行廣泛參數(shù)化。這個參數(shù)能更進一步表征光電器件的性能水平。因此，室溫下的比探測率D*的計算公式為式（2）。

D*=R[R0A4KT] （2）

式中：[K]是玻爾茲曼常數(shù)；[T]是溫度；[R0A]為零偏置電阻面積；[R]是波長1.5 μm處的峰光響應(yīng)度峰值。

根據(jù)前文分析，當(dāng)倍增層摻雜濃度超過1×1015cm?3時，在圖3中倍增層內(nèi)的電場分布不均勻，并且局部電場峰值過高時容易導(dǎo)致?lián)舸┬?yīng)，從而縮短器件的壽命，在圖4中暗電流密度會顯著增加，在圖6中，響應(yīng)時間變長，開關(guān)急劇變差。因此，對不同倍增層摻雜濃度的電場分布、暗電流密度、瞬態(tài)響應(yīng)的影響進行綜合分析，選擇器件倍增層摻雜濃度為1×1015cm?3。

將β-FeSi2/Si紅外探測器與近年來國際上報道的GeSn PIN［15］、OPD［16］、Ge/Si［17］、SnS［18］ 紅外探測器的比探測率值進行比較，結(jié)果見表2?？梢钥闯?，器件的比探測率在范圍之內(nèi)，驗證了β-FeSi2/Si近紅外光電探測器的應(yīng)用潛力。

3 結(jié)論

本研究對β-FeSi2/Si近紅外光電探測器中倍增層Si摻雜濃度對器件特性影響進行了仿真分析。仿真結(jié)果顯示，隨著摻雜濃度的增加，倍增層內(nèi)的電場強度峰值逐漸提高，器件的電場分布也會更加不均勻。在此基礎(chǔ)上，探討了器件其他性能的變化趨勢，隨著摻雜濃度的增加，器件的暗電流和光響應(yīng)度也隨之上升，但對光響應(yīng)度的影響很小。進一步研究表明，倍增層摻雜濃度應(yīng)在1×1015cm?3以內(nèi)，器件表現(xiàn)出良好的性能。研究結(jié)果對未來制備高性能的β-FeSi?/Si紅外探測器具有指導(dǎo)意義。

參考文獻：

［1］ JIN C， CHEN J X， XU Q Q， et al. Electrical and optical performances of InGaAs/GaAsSb superlattice short-wavelength infrared detectors［J］. Optical Engineering， 2017，56（5）： 057102-057102.

［2］ 周建，周易，倪歆玥，等.偏振集成紅外光電探測器研究進展與應(yīng)用［J］.光電工程，2023，50：66-84.

［3］WANG Y， HUANG X W， WU D， et al. A room-temperature near-infrared photodetector based on a MoS2/CdTe p–n heterojunction with a broadband response up to 1700 nm［J］. Journal of Materials Chemistry C， 2018， 6（18）： 4861-4865.

［4］ ZHANG X， YANG C， LI P， et al. Growth of Si/PbS Heterostructure Infrared Photodetectors for NIR Detection［J］. ACS Photonics， 2024， 11（3）： 1197-1204.

［5］LIU H， WANG J， GUO D， et al. Design and fabrication of high performance InGaAs near infrared photodetector［J］. Nanomaterials， 2023， 13（21）： 2895.

［6］ EL-AMIR A A M， OHSAWA T， NABATAME T， et al. Ecofriendly Mg2Si-based photodiode for short-wavelength IR sensing［J］. Materials Science in Semiconductor Processing， 2019， 91： 222-229.

［7］ ZOU X Y. Simulation of n-β-FeSi2/p-Si heterojunction solar cells based on AFORS-HET［J］. Modern Physics Letters B， 2017， 31（19-21）： 1740026.

［8］ TAMURA D， NAGAI R， SUGIMOTO K， et al. Melt growth and characterization of Mg2Si bulk crystals［J］. Thin Solid Films， 2007， 515（22）： 8272-8276.

［9］ PROMROS N， BABA R， TAKAHARA M， et al. Epitaxial growth of β-FeSi2 thin films on Si （111） substrates by radio frequency magnetron sputtering and their application to near-infrared photodetection［J］. Japanese Journal of Applied Physics， 2016， 55（6S2）： 06HC03.

［10］ 王航，袁正兵，譚明，等.倍增層厚度對In_（0.53）Ga_（0.47）As/InP雪崩二極管器件特性的影響［J］.光學(xué)學(xué)報，2020，40（18）：16-20.

［11］ 蔣毅，陳俊.基于異質(zhì)結(jié)倍增層的InAlAsSb SACM雪崩光電二極管的優(yōu)化［J］.紅外與毫米波學(xué)報，2019，38（5）：598-603.

［12］ NASEEM P S， WANG P S， AHMAD Z， et al. Top-illuminated avalanche photodiodes with cascaded multiplication layers for high-speed and wide dynamic range performance［J］. Journal of Lightwave Technology， 2022， 40（24）： 7893-7900.

［13］ALIANE A， OUVRIER-BUFFET J L， LUDURCZAK W， et al. Fabrication and characterization of sensitive vertical PiN germanium photodiodes as infrared detectors［J］. Semiconductor Science and Technology， 2020， 35（3）： 035013.

［14］葉偉，杜鵬飛，蕭生， 等.InAlAs濃度對In0.83Al0.17As/ In0.83Ga0.17As紅外探測器特性的影響［J］.應(yīng)用光學(xué)， 2022，43（2）：317-324.

［15］ LEE K C， LIN M X， LI H， et al. Planar GeSn photodiode for high-detectivity photodetection at 1550 nm［J］. Applied Physics Letters，2020，117（1）：012102.

［16］ LU Z， SHEN X， LI Z， et al. Flexible sandwich structure MXene-Aramid Nanofiber-MXene film for adjusting infrared camouflage and multifunctional application［J］. Composite Structures， 2024： 118299.

［17］ HSU C Y， LAI B， GUAN-YU L， et al. High detectivity Ge photodetector at 940 nm achieved by growing strained-Ge with a top Si stressor［J］. Optics Express， 2024， 32（6）： 10490-10504.

［18］ GU C F， CHENG Y C， DAI Q Y， et al. Towards high-performance near-infrared photodetectors based on SnS nanowires［J］. Europhysics Letters， 2022， 136（2）： 27003.