Mg2Si浓度对Mg2Si/Si异质结光电探测器性能的影响*

沈文 吴九九 高云 冀慎统 陈德良 余宏

(贵州师范学院物理与电子科学学院,贵州贵阳 550018)

0 引言

Mg2Si是一种间接带隙半导体材料,拥有0.1-0.8eV的带隙宽度,其0.5-1.5um波段适合做光电子器件[1]。2007年Atanassov等人利用离子束合成的方法制备了Mg2Si,依据拉曼光谱和红外透射谱,获得了Mg2Si/Si异质结的能带图[2]。2013年Konstantin N.Galkin与Nikolay G.Galkin等人通过MBE的方法获得了Si/2D Mg2Si/Si(111)双异质的肖特基结构[3]。2016年廖杨芳等采用磁控溅射技术制备出玻璃衬底Mg2Si/Si异质结,结果表明:玻璃基板上的Mg2Si薄膜的PL强度远大于Si(111)基片上的Mg2Si膜[4]。本文采用Atlas模块构建了p-Mg2Si/n-Si异质结光电探测器模型,研究了不同Mg2Si浓度对Mg2Si/Si异质结光电探测器的反向击穿电压、正向导通电压、响应度、噪声等效功率等性能的影响,并分析了其仿真结果。仿真结果可以用于指导环境友好型Mg2Si/Si光电探测器的制备工作。

1 模型

在Atlas模块二维网格上建立p-Mg2Si/n-Si异质结光电探测器模型,依次对模型区域、电极、掺杂、材料进行定义。选用SRH复合模型、AUGER复合模型、低电场迁移率模型。建立器件的连续性方程和泊松方程,再利用牛顿迭代算法,从而得到器件各种输出的解,并分析其光电特性。p型Mg2Si的宽度为1μm,厚度0.38μm,浓度依次为1x1015cm-3、5x1015cm-3、1x1016cm-3、5x1016cm-3、1x1017cm-3。n型Si宽度1μm,厚度0.5μm,掺杂浓度1x1017cm-3。阳极材料为Au,宽度0.2μm,厚度0.1μm。阴极材料为Ag,宽度1μm,厚度0.1μm。

图1 无光照条件下不同Mg2Si浓度的Mg2Si/Si异质结光电探测器反向I-V曲线Fig.1 Reverse I-V curves of Mg2Si/Si heterojunction photodetector with different Mg2Si concentration under no light conditions

2 结果与讨论

2.1 I-V曲线

无光照条件下,Mg2Si/Si异质结光电探测器的电压反向偏置时,不同Mg2Si浓度器件输出的I-V曲线如图1所示。随着Mg2Si浓度的增加,Mg2Si/Si异质结光电探测器的反向击穿电压VBR并没有发生变化,其值为20V。Mg2Si浓度不影响Mg2Si/Si异质结光电探测器的反向击穿电压。

光照条件下Mg2Si/Si异质结光电探测器的正向电压从0v增加到25V时,其I-V曲线计算结果如图2所示。异质结光电探测器的正向导通电压为0.54V,小于硅光电探测器的导通压降0.6～0.8V。Mg2Si浓度基本不改变异质结光电探测器的正向导通电压。Mg2Si/Si异质结光电探测器具有典型的光电探测器单向导通特性。

2.2 响应度

响应度定义为在入射光的光照条件下,异质结光电探测器的输出光电流IP与入射光功率P的比值。不同Mg2Si浓度条件下Mg2Si/Si异质结光电探测器响应度曲线如图3所示。入射光波长从400nm增加到1500nm时,不同Mg2Si浓度Mg2Si/Si异质结光电探测器响应度随入射光波长的增加而先增加后减小。当入射光在685nm附近时,不同Mg2Si浓度Mg2Si/Si异质结光电探测器响应度均达到最大值。

2.3 噪声等效功率

噪声等效功率定义为1Hz输出带宽(0.5s积分时间)内使器件的信噪比等于1时的入射光功率值。不同Mg2Si浓度的Mg2Si/Si异质结光电探测器的噪声等效功率曲线如图4所示。随着Mg2Si浓度的增加,Mg2Si/Si异质结光电探测器的噪声等效功率依次减小。入射光波长为685nm时,不同Mg2Si浓度的Mg2Si/Si异质结光电探测器的噪声等效功率均达到最小值。

图2 光照条件下不同Mg2Si浓度的Mg2Si/Si异质结光电探测器的正向I-V曲线Fig.2 The forward I-V curves of Mg2Si/Si heterojunction photodetector with different Mg2Si concentrations under light conditions

图3 不同Mg2Si浓度的Mg2Si/Si异质结光电探测器响应度曲线Fig.3 The responsivity curves of Mg2Si/Si heterojunction photodetectors with different Mg2Si concentrations

图4 不同Mg2Si浓度的Mg2Si/Si异质结光电探测器噪声等效功率曲线Fig.4 The noise equivalent power curves of Mg2Si/Si heterojunction photodetector with different Mg2Si concentrations

3 结语

Mg2Si是一种环境友好型半导体材料,组成元素硅和镁地层含量丰富、价格便宜,同时该材料对环境无污染、抗氧化和耐腐蚀。其0.4-1.5um波段适合做光电子器件,Mg2Si成为新一代硅基电子器件的热门备选材料。本文设计并了Mg2Si/Si光电探测器的芯片结构,研究了不同Mg2Si浓度对Mg2Si/Si光电探测器的光电性能的影响。仿真计算结果表明:Mg2Si浓度不影响Mg2Si/Si异质结光电探测器的反向击穿电压和正向导通电压;不同Mg2Si浓度Mg2Si/Si异质结光电探测器响应度随入射光波长的增加而先增加后减小;随着Mg2Si浓度的增加,Mg2Si/Si异质结光电探测器的噪声等效功率依次减小;入射光波长为685nm时,不同Mg2Si浓度的Mg2Si/Si异质结光电探测器的噪声等效功率均达到最小值。该研究对后续Mg2Si/Si光电探测器的制备奠定了良好基础。