MSM-PDs的基本结构及原理解析

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：在此，我们将两种器件分别简称为共面MSM-PD和垂直MSM-PD。与共面MSM-PDs相比，垂直MSM-PDs的两电极之间的距离更容易控制地比较小，这有利于降低器件寄生电容，从而获得更高的响应速度。早在1971年，Sze等人就给出了肖特基型MSM器件在无光照情形下的基本工作原理［176］。

1.基本结构

MSM-PDs是在半导体表面制作金属电极形成金属-半导体接触的器件。器件基本结构分为两种。第一种器件结构为共面器件［179］，电极通常由分立的两组金属条构成（即叉指电极），两组电极处于同一平面，即位于半导体的一侧，结构如图6.1（a）。第二种器件具有垂直形的结构［197］，半导体层夹在上下两个金属电极中间，结构如图6.1（b）。在此，我们将两种器件分别简称为共面MSM-PD和垂直MSM-PD。在共面MSM-PD中，半导体层直接暴露在光照下，而在垂直MSM-PD中，顶部金属电极必须做到足够薄，以利于光吸收或载流子传输。与共面MSM-PDs相比，垂直MSM-PDs的两电极之间的距离更容易控制地比较小，这有利于降低器件寄生电容，从而获得更高的响应速度。

2.基本原理

根据金属电极与半导体材料接触形成的异质结类型不同，可将MSM-PDs分为光电导型和肖特基型。虽然通常所说的MSM-PDs具有肖特基型异质结接触，而近年来一些具有光电导特性的MSM-PDs也表现出优异的特性［177，198］，因此在本章中也涵盖了对光电导型MSM-PD的进展介绍。

（1）光电导型MSM-PDs的工作原理

对于光电导型MSM-PDs，半导体材料与两端金属电极形成的是两个背靠背的欧姆接触，当光入射到半导体区域时，由于本征吸收和杂质吸收如图6.1（c），产生光生载流子（电子、空穴），引起半导体的电导率发生变化，光生载流子在外加电场的作用下漂移，被两端电极收集，从而在输出回路中产生光电流。

光电导探测器的主要优点是内部的光电子增益较高，光电流增益（G）代表光生载流子对光电流的贡献情况，定义为自由载流子寿命与渡越时间之比，计算方法见公式（6.1）：

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图6.1　（a）和（b）分别为平面型MSM－PD和垂直型MSM－PD结构示意图；（c）半导体材料本征和非本征光激发过程；（d）肖特基型MSM－PDs在VFB＜V＜VB下的工作原理示意图；（e）热载流子发射MSM－PD的工作原理示意图，图中仅展示了左侧金属吸光发射热电子产生电流的过程。

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其中Il为两电极之间流过的光电流，Ip为初始光电流，L为电极间距，μn为电子迁移率，μp为空穴迁移率，τ为载流子寿命，ε为光电导的内部电场，tm和trp分别为电子和空穴通过两个电极的渡越时间。当载流子寿命长，而多子渡越时间快时，光电流增益可以大于1。对于光电导型MSM-PDs，暗电流主要来源于热噪声和散粒噪声，其中热噪声与半导体材料的电导率有关［199］。

（2）肖特基型MSM-PDs的工作原理

第一个肖特基型MSM-PDs由Sugeta等人于1979年报道，是由两个背靠背串联的金属-半导体肖特基二极管组成的［200］。早在1971年，Sze等人就给出了肖特基型MSM器件在无光照情形下的基本工作原理［176］。例如，对于一个以N型硅为肖特基型MSM-PD，可以等效为如图6.2（a）所示的两个肖特基二极管。该器件的半导体区可以分为三部分，除了构成两个肖特基结的耗尽区以外，位于中间的区域在图6.2（a）中用一段平的能带来表示，这部分区域载流子浓度相对较高。在此，假设两端的肖特基结具有不同的电子势垒高度，分别为ø1和ø2，它们形成了方向相反的电场强度。左端的肖特基结形成的电场强度由右指向左，定义为反偏，而右边的肖特基结形成的电场强度方向指向右，定义为正偏，它们的电场强度分布如图6.2（f）所示，图中还标出了两个肖特基结相应的耗尽区宽度，分别为W1和W2。

该器件在施加不同偏压时，器件的工作状态不同。当施加一个很小的反向偏压时，器件的能带结构和电场分布如图6.2（b）和6.2（g）所示，此时，反偏的肖特基结耗尽区略有展宽，而正偏的肖特基结耗尽区稍稍变窄，但只要两个耗尽区的宽度之和还小于两金属电极之间的指间距，回路中的暗电流就非常微弱，器件性能与不加偏压时接近。

继续增加反偏电压，处于反偏状态的耗尽区宽度持续增大，而正偏下的耗尽区宽度不断减小，外加电压大部分降在反偏置下的肖特基结上。当外加偏压达到某一临界值，即拉通电压（reachthroughvoltage，VRT）时，正向偏置的耗尽区与反向偏置的结耗尽区相遇，如图6.2（h）所示，此时，接触点处电场强度为0，相应的能带结构如图6.2（c）所示。

随着外加偏压的进一步增加，空穴要从右端电极注入回路的势垒不断下降，回路中的暗电流明显上升，直到右端处于正偏状态的耗尽区完全消失，半导体最右端处能带变平，如图6.2（d）所示，此时所加的偏压定义为平带电压（flatbandvoltage，VFB）。从图中可以看出，在平带电压下，整个器件工作在反偏状态，耗尽区的宽度与两金属电极之间的指间距相等，电场由右指向左，且其强度由右向左线性增加，如图6.2（i）所示。此时，空穴势垒达到高度接近其极限值，进一步增大电压，空穴势垒只会由于镜像力［44］缓慢降低，因而，电流增速较VRT＜V＜VFB区间明显变缓。

当电压继续增加，会引起器件击穿，该电压定义为击穿电压（breakdownvoltage，VB）。击穿是器件中的载流子在强电场作用下与晶体原子发生连锁碰撞，产生的电流雪崩式倍增效应。击穿电压不依赖于耗尽区宽度的变化而变化［202］。在VFB＜V＜VB区间，器件的能带结构与电场强度如图6.2（e）及图6.2（j）所示。值得一提的是，有机半导体中由于激子束缚能比较高，只能通过陷阱载流子在界面处积累引发的载流子隧穿行为实现光电倍增，该效应也被用来制备高性能光电探测器［193，203，204］。

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图6.2　（a）～（e）MSM结构在不同偏压下的能带图；（f）～（j）及相应的电场分布图；（a）（f）无电压；（b）（g）为V小于穿通电压VRT；（c）（h）为V等于穿通电压VRT；（d）（i）为V等于平带电压VFB；（e）（j）为V大于平带电压VFB但小于雪崩电压VB。

在肖特基型MSM-PDs中，常见的器件是利用半导体材料进行感光的。在图6.2（a）～（c）中所示正偏肖特基结没有消失的情形下，位于两个肖特基结区的半导体层均吸收光，产生与肖特基内建电势相反的光生电势，在回路中产生两个相反方向的光电流。当器件处于图6.2（d）～（e）的情形下时，即VFB＜V＜VB时，器件只包含一个反偏肖特基结，此时回路中只有单方向的光生电流，如图6.1（d）所示。通常，用于光电探测时，所加偏压位于这一区间，但是此时器件的暗电流较高。为了降低暗电流，可以在金属和半导体之间引入一个薄势垒增强层［205，206］。相比于光电导型MSM-PDs，由于肖特基结增强了半导体区的电场强度，所以载流子传输性能被进一步改善，器件的响应速度得以提升［207］。对于肖特基型共面MSM-PD而言，其时间常数包含了光生载流子渡越时间常数和电路RC时间常数两个方面。其中，光生载流子渡越时间与叉指电极的间距成正比，间距越大，响应时间越长。而电路RC时间常数与叉指电极的间距及电极的厚度成反比，与指宽成正比。电极指间距越大或电极厚度越厚，电路RC时间常数越小［208］。指宽越小，电路时间常数越小［208］。要获得尽可能低的响应时间，在设计时如何选取合适的电极指间距需要综合考虑。相应地，器件的频率响应带宽与其响应时间常数成反比。肖特基型MSM-PDs的暗电流来源于热电子（或空穴）发射电流，与偏压、掺杂浓度及电极间距有关［209，210］。实际中，为了获得尽可能低的暗电流，测试时控制偏压接近平带电压。在固定偏压的条件下，降低掺杂浓度，选择较大的电极间距，均有利于降低暗电流。

在肖特基型MSM-PDs中，也可利用金属吸收光产生光电流［211，212］，这样便可在半导体不吸光的波段实现光电探测。例如，我们可以使用ZnO等宽带隙半导体实现对可见光的探测，使用Si半导体实现1.30μm和1.55μm两个光纤通信波段的光信号检测［213］。这类型器件的工作原理如图6.1（e）所示。当光照射到器件上时，两端的金属吸收光子后会激发热载流子［214］，部分热载流子传输到金属与半导体之间的界面处，具有足够动能的热载流子可以隧穿通过顶部金属与半导体界面之间形成的肖特基势垒，进入半导体层，随后这些热载流子传输到达半导体与对向金属电极构成的界面时，会再一次隧穿进入对向金属电极，产生光电流。由于两端金属吸光所产生的两个光电流方向相反，这两个电流分别记为I1和I2，当操控这两个光电流的大小不等时，就会在外电路中产生净电流实现光电探测［215-217］。当一侧金属半导体界面是欧姆接触时，就构成了通常所说的金属-半导体二极管型光电探测器［218］。因为这种器件是利用了金属中的热载流子来实现光电探测的，所以又被叫做热载流子光电探测器，包括了热电子和热空穴两种类型［219，220］，其中以热电子型光电探测器更为常见。

MSM-PDs的基本结构及原理解析

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