【摘 要】
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为开发基于环境友好材料Mg_2Si薄膜的红外探测器,围绕Mg_2Si/Si异质结光电二极管,选用Mg_2Si与Si材料物理参数,建立了器件模型,采用Silvaco、wx AMPS软件对Mg_2Si/Si不同异质结构光电探测器进行了设计和模拟。首先对pn型与pin型Mg_2Si/Si异质结光电二极管进行了模拟与分析。模拟结果表明:Mg_2Si光敏层对器件光电特性的影响较大,增加光敏层厚度与降低掺杂浓
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为开发基于环境友好材料Mg2Si薄膜的红外探测器,围绕Mg2Si/Si异质结光电二极管,选用Mg2Si与Si材料物理参数,建立了器件模型,采用Silvaco、wx AMPS软件对Mg2Si/Si不同异质结构光电探测器进行了设计和模拟。首先对pn型与pin型Mg2Si/Si异质结光电二极管进行了模拟与分析。模拟结果表明:Mg2Si光敏层对器件光电特性的影响较大,增加光敏层厚度与降低掺杂浓度是提高光谱响应的有效途径,但当掺杂浓度低于1x1016cm-3时,暗电流会有较大程度的提升。当Mg2Si光敏层厚度为4μm时,所设计的pin型光电二极管在0.6μm～1.5μm比pn型具有更高的响应度,峰值波长为1.11μm,响应度最高达到0.742 A.W-1,在1.31μm处响应度为0.53 A.W-1;暗电流密度较pn型略大,约为1×10-6 A.cm-2;背照射在短波处比前照射有更高的量子效率,在长波处几乎重合;开关特性较pn型略有降低,均有纳秒级的开关速度。因此,Mg2Si/Si异质结pin型结构优于pn型结构。模拟结果同时表明p-Si/i-Mg2Si/n-Si型光电二极管的性能较p-Mg2Si/i-Mg2Si/n-Si型结构提升不大,考虑到异质结界面态的影响,p-Mg2Si/i-Mg2Si/n-Si型结构是更好的选择。其次,对Mg2Si/Si雪崩型光电二极管进行了模拟与分析。采用Silvaco软件中Atlas模块构建出以Mg2Si为吸收层的SACM（Separate Absorption,Charge and Multiplication）型APD（Avalanche Photodiode Diode）器件。它由帽顶层、吸收层、电荷层和倍增层等部分组成。对Mg2Si/Si异质结APD器件内部电场与I-V特性等进行了初步仿真,分析了APD器件内部结构参数对穿通电压VP和击穿电压Vb的影响。模拟结果表明:Mg2Si薄膜作为吸收层能有效地扩展Si基雪崩光电二极管的光谱响应波段;较薄且低掺杂的电荷层会使器件中的吸收层在小偏压情况下产生耗尽,器件提前处于穿通状态,但需要较大偏压才能使器件击穿;较厚且高掺杂的电荷层会使器件的击穿电压和穿通电压之差Δ((1b-（1p）减小,甚至耗尽层还未耗尽器件就已发生击穿;当倍增层厚度8)增加,器件的击穿电压出现先下降后上升的现象,在厚度为0.6μm时,击穿电压有最小值Vbmin为53 V,且总体呈现非线性变化规律,而穿通电压呈线性增加趋势;倍增层掺杂浓度对器件的击穿电压与穿通电压的影响较小,但当掺杂浓度大于1x1015cm-3后,倍增层电场分布呈现出较大程度的倾斜,将会产生较大的暗电流;增大外加偏压与倍增层厚度均会使器件电容变小。此外,倍增层厚度对器件的瞬态响应的影响较小。根据模拟计算,得到了SACM型APD器件初步优化后的增益系数、光谱响应等。当入射光波长为1.31μm,光功率为10 m W/cm2时,所设计雪崩光电二极管在偏压为47.5V（0.95Vb）时,在波长为1.1μm处达到光谱响应峰值,为25 A.W-1,暗电流约为1.8×10-9A,倍增因子Mn为19.6,且Mn在器件击穿时取得最大值102,同时器件电流的平均放大倍数M为75.4,对电流的增益效果较好。对三种Mg2Si/Si异质结构光电探测器进行了设计和模拟,根据模拟计算结果,采用SACM型APD器件结构可得到高性能的Mg2Si薄膜红外探测器。
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