Strategi Optimasi 4H-SiC Terpisah Muatan Penyerapan dan Perkalian Struktur Fotodioda Longsor untuk Efisiensi Deteksi Ultraviolet Tinggi
Abstrak
Dalam karya ini, penyelidikan parametrik pada optimasi struktural secara sistematis dibuat untuk 4H-SiC berbasis avalanche ultraviolet photodiode (UV APD) berbasis 4H-SiC. Menurut hasil kami, tegangan tembus dapat sangat dipengaruhi oleh ketebalan lapisan penggandaan dan konsentrasi doping untuk lapisan kontrol muatan. Ketebalan untuk lapisan kontak ohmik tipe-n, lapisan absorpsi, dan lapisan kontrol muatan dapat sangat mempengaruhi kedalaman penetrasi cahaya, yang dengan demikian mempengaruhi jumlah pasangan lubang elektron yang dihasilkan oleh foto, dan oleh karena itu ketebalan lapisan yang disebutkan di atas memiliki dampak yang kuat pada responsivitas untuk SACM APD. Untuk meningkatkan responsivitas APD, kami memerlukan pengurangan tinggi penghalang pita energi pada antarmuka lapisan penyerapan optik dan lapisan kontrol muatan, sehingga pengangkutan pembawa yang dipromosikan ke lapisan perkalian dapat disukai. Selain itu, kami menyelidiki mesa miring positif dengan sudut yang lebih kecil untuk mengurangi medan listrik di tepi mesa. Dengan demikian, arus gelap juga ditekan.
Pengantar
Sebagai bahan semikonduktor celah pita lebar, silikon karbida (SiC) dan aluminium galium nitrida (AlGaN) menunjukkan karakteristik bahan yang sangat baik seperti medan listrik kritis yang tinggi, efek anti-radiasi yang lebih baik, dan konduktivitas termal yang baik, yang membuatnya cocok untuk ultraviolet (UV) deteksi [1,2,3]. Celah pita yang dapat disesuaikan antara 3,4 dan 6,2 eV untuk fotodetektor berbasis AlGaN memungkinkan panjang gelombang respons cutoff yang dapat dikontrol mulai dari 365 hingga 200 nm. Namun, karena kesulitan dalam menumbuhkan senyawa AlGaN kaya Al berkualitas tinggi, arus gelap untuk fotodetektor berbasis AlGaN lebih tinggi daripada rekan berbasis SiC [4]. Oleh karena itu, fotodetektor berbasis SiC telah mendapatkan minat penelitian yang luas. Sampai saat ini, detektor ultraviolet solid-state berbasis 4H-SiC terdiri dari dioda penghalang Schottky, fotodioda logam-semikonduktor-logam (MSM), fotodioda p-i-n, dan fotodioda longsoran (APD) [5,6,7,8,9]. Karena gain longsoran yang tinggi, arus gelap yang kecil dan kebisingan yang rendah, APD ultraviolet 4H-SiC memiliki prospek aplikasi yang bagus di banyak bidang mutakhir yang memerlukan deteksi sinyal ultraviolet yang lemah, seperti peringatan kebakaran, komunikasi kuantum, dan deteksi rudal [ 10,11,12]. Namun, material SiC memiliki koefisien penyerapan cahaya yang rendah, sehingga struktur fotodioda umum dengan lapisan multiplikasi yang tipis sulit untuk mencapai efisiensi kuantum yang tinggi. Masalahnya tidak teratasi sampai struktur APD Muatan Absorbsi dan Perkalian Terpisah (SACM) diusulkan. Di satu sisi, sinar UV dapat diserap secara efektif oleh lapisan penyerapan, dan di sisi lain, penguatan internal yang tinggi dapat diperoleh di lapisan multiplikasi medan tinggi melalui proses ionisasi tumbukan. Proses ionisasi impak pada lapisan multiplikasi dapat dihentikan oleh lapisan kontrol muatan [13, 14]. Keuntungan untuk struktur SACM muncul dari pengurangan noise, karena hanya satu jenis pembawa foto yang dihasilkan dengan laju ionisasi yang lebih besar yang dapat disuntikkan ke dalam lapisan multiplikasi [15, 16]. Untuk mendapatkan deteksi tinggi untuk sinyal ultraviolet yang lemah, APD SACM dengan area deteksi aktif yang besar harus dibuat [17]. Namun, peningkatan ukuran perangkat disertai dengan arus bocor permukaan dan arus bocor curah yang meningkat secara signifikan. Jadi, ini tidak hanya memaksakan persyaratan ketat pada kualitas wafer epitaxial SiC, tetapi juga mencerminkan tantangan besar untuk proses fabrikasi perangkat dan desain perangkat. Dalam beberapa dekade terakhir, Cree Company telah sangat mempromosikan teknologi pertumbuhan epitaxial untuk film SiC, yang selanjutnya mengarah pada peningkatan berkelanjutan untuk kualitas kristal. Baru-baru ini, Zhou et al. telah mengusulkan teknik reflow photoresist suhu variabel untuk membuat dinding samping yang sangat halus untuk mesa APD 4H-SiC yang miring [18], yang memungkinkan perolehan multiplikasi tinggi lebih dari 10
6
dan arus gelap rendah ~ 0.2 nA/cm
2
. Namun demikian, penelitian sebelumnya lebih fokus pada peningkatan kualitas material dan optimalisasi teknologi fabrikasi untuk APD SACM [19,20,21], sedangkan dampak desain struktural pada transport pembawa yang dihasilkan oleh foto dan deteksi arus foto masih jarang dibahas hingga saat ini. . Oleh karena itu, dalam surat ini, kami secara sistematis menyelidiki kinerja optoelektronik untuk APD ultraviolet SACM berbasis 4H-SiC area luas dengan desain struktural yang berbeda. Sementara itu, gambar fisik dan diskusi yang mendalam juga disediakan. Kami yakin temuan dalam pekerjaan ini berguna bagi peneliti untuk mengoptimalkan APD 4H-SiC dengan biaya lebih rendah.
Seperti diketahui, penggandaan pembawa skala besar dihasilkan ketika ionisasi tumbukan terjadi, yang, bagaimanapun, sangat dipengaruhi oleh ketebalan untuk lapisan penggandaan dan konsentrasi doping untuk lapisan kontrol muatan. Medan listrik yang sangat kuat dihasilkan di lapisan perkalian untuk memungkinkan terjadinya ionisasi tumbukan. Medan listrik dapat diakhiri oleh lapisan kontrol muatan karena konsentrasi doping yang lebih besar di dalamnya. Selain itu, kami juga menemukan bahwa, dengan memodulasi pita energi antara lapisan penyerapan dan lapisan kontrol muatan, kami dapat menyesuaikan respons spektral. Adopsi yang wajar dari mesa miring positif dapat mencapai pengurangan yang signifikan dalam medan listrik permukaan dinding samping, yang membantu untuk menekan arus gelap dan kerusakan tepi. Analisis dan diskusi terperinci akan dilakukan selanjutnya.
Metode Penelitian dan Model Fisika
Gambar 1a menunjukkan tampilan penampang skema untuk APD SACM 4H-SiC standar yang digunakan dalam pekerjaan ini, yang memiliki n
+
-ketik lapisan 4H-SiC sebagai substrat. Kemudian, tumpukan arsitektur terdiri dari p
+
. setebal 3μm -jenis lapisan (Na = 1 × 10
19
cm
−3
) berfungsi sebagai lapisan kontak ohmik tipe-p, n
−
setebal 0,5μm -jenis lapisan perkalian (Nd = 1 × 10
15
cm
−3
) untuk perkalian pembawa, lapisan kontrol muatan tipe-n setebal 0,2 m (Nd = 5 × 10
18
cm
−3
) untuk menghentikan proses ionisasi tumbukan, dan n
−
setebal 0,5μm -jenis lapisan penyerapan (Nd = 1 × 10
15
cm
−3
) untuk menyerap foton yang masuk. Di atas struktur perangkat, ada n
+
setebal 0,3μm -jenis lapisan kontak ohmik (Nd = 1 × 10
19
cm
−3
). Sudut kemiringan positif (θ = 8°) dibuat untuk struktur mesa untuk menekan kerusakan tepi [22, 23]. Diameter untuk APD SACM 4H-SiC adalah 800 μm. Kontak katoda dan anoda dianggap sebagai kontak ohmik ideal dalam perhitungan kami. Menurut Gambar 1c dan d, hasil kami menggambarkan bahwa hasil yang dihitung untuk struktur APD SACM 4H-SiC standar yang disebutkan di atas menunjukkan arus gelap 2,5 nA/cm
2
, tegangan tembus 161,6 V, dan responsivitas puncak 0,11 A/W pada panjang gelombang 280 nm. Karakteristik arus-tegangan yang dihitung dan responsivitas untuk APD SACM 4H-SiC standar konsisten dengan data eksperimen. Ini sepenuhnya membuktikan bahwa ionisasi impak, koefisien penyerapan bahan 4H-SiC, persamaan Poisson, persamaan kontinuitas arus, dan persamaan drift-difusi yang digunakan dalam pekerjaan ini masuk akal. Di sini, kami mengambil struktur pada Gambar 1a sebagai tolok ukur penelitian sementara variabel yang diselidiki meliputi sudut kemiringan mesa, ketebalan, dan konsentrasi doping untuk setiap lapisan.
a Struktur penampang melintang skema (tidak digambar dalam skala), b diagram pita energi skema di bawah bias terbalik untuk standar 4H-SiC SACM APD, c karakteristik tegangan arus yang dihitung dan penguatan perkalian, dan d menghitung karakteristik respons spektral pada tegangan balik 10 V untuk APD SACM 4H-SiC standar. Sisipkan gambar di c menunjukkan karakteristik tegangan arus terukur dan penguatan perkalian. Sisipkan gambar di d menunjukkan karakteristik respons spektral terukur untuk standar 4H-SiC SACM APD yang dibias pada 10 V
Untuk lebih memahami dampak variabel struktural yang berbeda pada sifat fotolistrik untuk APD SACM 4H-SiC, Gambar 1b menunjukkan diagram pita energi skematis di bawah bias terbalik. Pasangan lubang elektron yang dibangkitkan foto pada lapisan absorpsi akan berdifusi ke dalam lapisan perkalian melalui lapisan kontrol muatan. Setelah pasangan lubang elektron yang dihasilkan foto mencapai daerah perkalian, mereka akan dipisahkan oleh medan listrik yang habis. Lubang kemudian akan mengalami proses perkalian pada lapisan perkalian, yang menimbulkan penguatan arus internal. Sedangkan elektron yang dibangkitkan foto akan kembali ke katoda dan diubah menjadi arus tanpa mengalami tumbukan ionisasi. Faktor penting yang mempengaruhi arus foto termasuk profil medan listrik di lapisan perkalian, penyelarasan pita energi di lapisan kontrol muatan, lapisan penyerapan, dan lapisan kontak ohmik tipe-n, di mana penghalang energi apa pun dapat menghalangi transportasi pembawa. Perlu juga dicatat bahwa profil medan listrik di lapisan perkalian dapat ditentukan oleh konsentrasi doping untuk lapisan perkalian dan lapisan kontrol muatan. Sementara itu, sudut mesa miring juga secara substansial terkait dengan distribusi medan listrik. Kami juga harus memperhatikan ketebalan untuk setiap lapisan untuk memastikan proses difusi pembawa efisiensi tinggi. Oleh karena itu, penting untuk mempelajari secara sistematis parameter struktural utama ini untuk mengoptimalkan kinerja perangkat.
Penyelidikan numerik dilakukan oleh APSYS, yang dapat menyelesaikan persamaan kontinuitas arus, persamaan Poisson, dan persamaan drift-difusi secara konsisten dengan kondisi batas yang tepat. Kedua proses ionisasi dampak dan tunneling Zener telah dimasukkan dalam persamaan drift-difusi. Hamburan pembawa-pembawa untuk proses pengangkutan pembawa juga telah dimasukkan dalam model mobilitas medan rendah. Masa pakai rekombinasi Shockley-Read-Hall (SRH) diasumsikan 1 μs [24]. Secara khusus, bidang (E ) ketergantungan koefisien ionisasi tumbukan untuk elektron (αn ) dan lubang (βp ) untuk lapisan berbasis 4H-SiC dapat dinyatakan dengan rumus Chynoweth (1) dan (2) masing-masing sebagai berikut [25]:
Parameter material lain yang digunakan dalam model numerik dapat ditemukan di tempat lain [27]. Perhitungan didasarkan pada metode elemen hingga, yang mengharuskan pengguna untuk menyesuaikan distribusi mesh dengan benar untuk membuat perhitungan yang akurat.
Hasil dan Diskusi
Dampak Parameter Struktural untuk Lapisan Kontak Ohmik Tipe-n pada Kinerja Fotolistrik
Untuk menyelidiki pengaruh ketebalan dan konsentrasi doping untuk lapisan kontak ohmik tipe-n pada kinerja fotolistrik, kami merancang perangkat referensi, perangkat L1 hingga L4, dan perangkat A1 hingga A4, masing-masing. Perhatikan bahwa perangkat referensi adalah struktur APD SACM dasar seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a. APD lain yang diusulkan identik dengan perangkat referensi kecuali lapisan kontak ohmik SiC tipe-n, informasi struktural detailnya disajikan pada Tabel 1.
Kami pertama-tama menunjukkan tegangan tembus dalam hal ketebalan untuk lapisan kontak ohmik SiC tipe-n pada Gambar. 2a, yaitu, perangkat L1 hingga L4. Inset untuk Gbr. 2a secara selektif menunjukkan arus gelap, arus foto di bawah penerangan 365 nm, dan penguatan untuk perangkat L1. Untuk perangkat L1, tegangan tembus adalah ~ 161.6 V dan kerapatan arus gelap tetap pada level ~ 2.5 nA/cm
2
ketika bias lebih rendah dari 161,6 V. Perhatikan bahwa tegangan tembus diperoleh pada arus 10
−5
A. Arus gelap meningkat ketika proses ionisasi tumbukan terjadi. Tingkat arus foto menjadi tinggi di wilayah linier saat iluminasi 365nm menyinari perangkat, dan ini menunjukkan penguatan perkalian bisa lebih dari 10
3
untuk perangkat L1 pada tegangan balik 161,6 V. Tegangan tembus longsoran untuk lima APD yang diselidiki diringkas pada Gambar 2a. Dari Gambar 2a, kita dapat memperoleh bahwa ketebalan untuk lapisan kontak ohmik tipe-n memiliki efek yang dapat diabaikan pada tegangan tembus. Untuk mengungkapkan mekanisme yang mendasari pengamatan, kami menghitung dan menunjukkan distribusi medan listrik vertikal untuk perangkat referensi dan perangkat L1 hingga L4 pada Gambar. 2b, yang menggambarkan bahwa lapisan kontrol muatan membatasi batas wilayah penipisan dan medan listrik di lapisan perkalian. Oleh karena itu, kita dapat berspekulasi bahwa lapisan kontak ohmik tipe-n tidak akan mempengaruhi profil medan listrik pada lapisan perkalian dan ini dibuktikan pada Gambar 2b. Pengamatan pada Gambar 2b dengan baik menginterpretasikan tegangan tembus yang identik pada Gambar 2a untuk perangkat referensi dan perangkat L1 hingga L4. Selanjutnya, kami menunjukkan arus yang dihasilkan foto untuk lima perangkat pada Gambar. 2c. Untuk resolusi yang lebih baik, kami mengumpulkan arus yang dihasilkan foto pada bias 100 V yang ditunjukkan pada sisipan untuk Gambar 2c. Kita dapat melihat bahwa arus yang dihasilkan foto menurun dengan meningkatnya ketebalan untuk lapisan kontak ohmik tipe-n. Lapisan kontak ohmik tipe-n yang terlalu tebal akan menyebabkan pembawa yang dihasilkan foto memiliki rekombinasi nonradiatif dan dengan demikian mengurangi arus difusi. Dengan arus yang dihasilkan foto, kita bisa mendapatkan respons spektral untuk perangkat referensi dan perangkat L1 hingga L4 pada tegangan balik 100 V pada Gambar. 2d. Panjang gelombang respons puncak untuk lima perangkat yang diselidiki berpusat pada 280 nm. Responsivitas menurun dengan meningkatnya ketebalan lapisan kontak tipe-n, yang sesuai dengan inset untuk Gambar 2c. Oleh karena itu, kami merangkum di sini bahwa ketebalan untuk lapisan kontak ohmik 4H-SiC tipe-n harus benar-benar tipis untuk menghindari peningkatan rekombinasi nonradiatif dan arus difusi yang berkurang.
a Tegangan rusak, b distribusi medan listrik vertikal dari SACM APD bias pada 160 V, c karakteristik tegangan foto di bawah iluminasi 280 nm, dan d karakteristik respons spektral dari SACM APD yang bias pada 100 V untuk perangkat referensi dan perangkat L1 hingga L4 dengan ketebalan lapisan kontak ohmik tipe-n yang berbeda, masing-masing. Sisipkan gambar di a menunjukkan karakteristik tegangan arus yang dihitung dan penguatan perkalian untuk perangkat L1. Sisipkan gambar di c menunjukkan arus foto untuk perangkat referensi dan perangkat L1 ke L4 bias pada 100 V
Selanjutnya, kami menyelidiki tegangan tembus sebagai fungsi dari konsentrasi doping pada lapisan kontak ohmik tipe-n dengan menganalisis perangkat referensi dan perangkat A1 hingga A4 pada Gambar 3a. Inset pada Gambar. 3a menyajikan arus gelap, arus yang dihasilkan foto, dan penguatan dalam hal bias yang diterapkan untuk perangkat A1. Tegangan tembus ditentukan ketika arus mencapai 10
−5
A. Menurut Gambar 3a, tegangan tembus hampir tidak tergantung pada konsentrasi doping pada lapisan kontak ohmik 4H-SiC tipe-n. Seperti yang telah ditunjukkan sebelumnya, lapisan kontrol muatan dapat secara efektif membatasi daerah penipisan dan medan listrik di lapisan perkalian. Oleh karena itu, variasi konsentrasi doping pada lapisan kontak ohmik tipe-n tidak mempengaruhi distribusi medan listrik di dalam perangkat [lihat Gambar 3b]. Kami kemudian menghitung dan menunjukkan arus yang dihasilkan foto dalam hal bias yang diterapkan untuk perangkat referensi dan perangkat A1 hingga A4 pada Gambar. 3c. Dapat dilihat dari Gambar 3c bahwa konsentrasi doping dari lapisan kontak ohmik tipe-n memiliki efek yang dapat diabaikan pada bias arus foto. Responsivitas spektral pada panjang gelombang yang berbeda untuk lima perangkat yang diselidiki ditunjukkan pada Gambar. 3d. Data dihitung pada tegangan balik 100 V. Panjang gelombang dengan responsivitas maksimum ~ 0,11 A/W adalah 280 nm. Konsisten dengan Gbr. 3c, responsivitas kurang bergantung pada konsentrasi doping di lapisan kontak ohmik tipe-n. Oleh karena itu, kami menyimpulkan bahwa responsivitas lebih dipengaruhi oleh ketebalan daripada konsentrasi doping untuk lapisan kontak ohmik tipe-n untuk APD SACM 4H-SiC. Kami juga menyarankan untuk meningkatkan panjang difusi pembawa untuk tujuan meningkatkan responsivitas.
a Tegangan rusak, b distribusi medan listrik vertikal dari SACM APD bias pada 160 V, c karakteristik tegangan foto di bawah iluminasi 280 nm, dan d karakteristik respon spektral dari SACM APD bias pada 100 V untuk perangkat referensi dan perangkat A1 hingga A4 dengan konsentrasi doping yang berbeda dari lapisan kontak ohmik tipe-n, masing-masing. Sisipkan gambar di a menunjukkan karakteristik tegangan arus yang dihitung dan penguatan perkalian untuk perangkat A1. Sisipkan gambar di c menunjukkan arus foto untuk perangkat referensi dan perangkat A1 hingga A4 bias pada 100 V
Dampak Parameter Struktural untuk Lapisan Penyerapan pada Kinerja Fotolistrik
Pada bagian ini, dampak ketebalan dan konsentrasi doping untuk lapisan serapan pada kinerja fotolistrik untuk APD SACM berbasis 4H-SiC dipelajari. Informasi struktural mendetail dari lapisan absorpsi untuk SACM APD diringkas dan ditampilkan pada Tabel 2. Perangkat M1 hingga M4 dan perangkat B1 hingga B4 secara struktural identik dengan perangkat referensi kecuali lapisan absorpsi. Perangkat M1 hingga M4 memiliki ketebalan yang berbeda sedangkan perangkat B1 hingga B4 memiliki berbagai konsentrasi doping untuk lapisan absorpsi.
Dengan menggunakan perangkat referensi dan perangkat M1 hingga M4, Gambar 4a menunjukkan tegangan tembus dalam hal ketebalan yang berbeda untuk lapisan penyerapan. Untuk tujuan demonstrasi, kami menghitung dan menyajikan arus gelap, arus yang dihasilkan foto, dan penguatan sebagai fungsi dari bias yang diterapkan untuk perangkat M1 di sisipan Gambar 4a. Tegangan tembus dikumpulkan saat arus 10
−5
A. Kita dapat melihat bahwa tegangan tembus hampir tidak tergantung pada ketebalan lapisan absorpsi. Diketahui bahwa tegangan tembus sangat dipengaruhi oleh intensitas medan listrik di lapisan perkalian yang didoping ringan, dan karenanya, Gambar 4b menunjukkan distribusi medan listrik vertikal untuk lima perangkat yang dipelajari pada bias balik 160 V. distribusi lapangan untuk perangkat referensi dan perangkat M1 hingga M4 persis sama, yang menegaskan kesimpulan pada Gambar. 4a. Kami kemudian mendemonstrasikan arus yang dihasilkan foto dan responsivitas pada Gambar. 4c dan d, masing-masing. Baik arus yang dihasilkan oleh foto [lihat inset untuk Gbr. 4c] dan responsivitas menunjukkan tren penurunan dengan meningkatnya ketebalan untuk lapisan absorpsi. Untuk mengatasi lebih lanjut mekanisme yang mendasari, kami juga menghitung dan menunjukkan distribusi pembawa dalam lapisan perkalian pada Gambar. 4e ketika bias balik adalah 100 V untuk lima perangkat yang diselidiki. Kita dapat melihat bahwa tingkat konsentrasi elektron dan lubang menurun dengan meningkatnya ketebalan lapisan penyerapan, yang dikaitkan dengan peningkatan rekombinasi nonradiatif ketika lapisan penyerapan menjadi tebal. Rekombinasi nonradiatif mengkonsumsi pembawa, sehingga menekan arus difusi dan responsivitas. Di sini, untuk menghindari konsumsi pembawa oleh rekombinasi nonradiatif, kami menyarankan agar lapisan absorpsi tidak boleh terlalu tebal untuk mendapatkan APD SACM 4H-SiC dengan deteksi tinggi.
a Tegangan rusak, b distribusi medan listrik vertikal dari SACM APD bias pada 160 V, c karakteristik tegangan foto di bawah iluminasi 280 nm, d karakteristik respons spektral, dan e profil konsentrasi pembawa di lapisan perkalian APD SACM yang bias pada 100 V untuk perangkat referensi dan perangkat M1 hingga M4 dengan ketebalan lapisan penyerapan yang berbeda, masing-masing. Sisipkan gambar di a menunjukkan karakteristik tegangan arus yang dihitung dan penguatan perkalian untuk perangkat M1. Sisipkan gambar di c menunjukkan arus foto untuk perangkat referensi dan perangkat M1 hingga M4 bias pada 100 V
Selain ketebalan lapisan absorpsi, konsentrasi doping untuk lapisan absorpsi juga memiliki pengaruh yang signifikan terhadap kinerja perangkat. Kami kemudian menghitung dan menunjukkan tegangan tembus untuk perangkat referensi dan perangkat B1 hingga B4 pada Gambar 5a. Tegangan tembus ditentukan ketika arus 10
−5
A seperti yang ditunjukkan pada sisipan Gambar 5a. Dapat dilihat dari Gambar 5a bahwa konsentrasi doping untuk lapisan absorpsi tidak berpengaruh signifikan terhadap tegangan tembus. Lebih lanjut dapat dibuktikan dengan distribusi medan listrik satu dimensi vertikal pada Gambar 5b, sehingga konsentrasi doping untuk lapisan absorpsi tidak secara signifikan mengubah profil medan listrik pada lapisan perkalian. Kami juga menyajikan arus yang dihasilkan foto pada panjang gelombang 280 nm untuk perangkat yang dipelajari pada Gambar. 5c, yang menunjukkan peningkatan arus foto yang dihasilkan ketika konsentrasi doping di lapisan penyerapan meningkat. Sesuai dengan Gbr. 5c, responsivitas yang bergantung pada panjang gelombang pada Gbr. 5d juga disukai karena konsentrasi doping untuk lapisan absorpsi meningkat, misalnya, perangkat B4.
a Tegangan rusak, b distribusi medan listrik vertikal dari SACM APD bias pada 160 V, c karakteristik tegangan foto di bawah iluminasi 280 nm, dan d karakteristik respons spektral dari SACM APD bias pada 100 V untuk perangkat referensi dan perangkat B1 hingga B4 dengan konsentrasi doping lapisan penyerapan yang berbeda. Sisipkan gambar di a menunjukkan karakteristik tegangan arus yang dihitung dan penguatan perkalian untuk perangkat B1. Sisipkan gambar di c menunjukkan arus foto untuk perangkat referensi dan perangkat B1 ke B4 bias pada 100 V
Untuk menunjukkan asal yang mendalam untuk peningkatan responsivitas untuk perangkat B4, kami menunjukkan profil pita energi untuk lapisan kontrol muatan, lapisan penyerapan, dan lapisan kontak ohmik tipe-n untuk perangkat B1 dan B4 pada Gambar. 6a dan b masing-masing. Di sini, perlu disebutkan bahwa konsentrasi doping untuk lapisan kontrol muatan dan lapisan kontak ohmik tipe-n adalah 5 × 10
18
cm
−3
dan 1 × 10
19
cm
−3
, masing-masing. Oleh karena itu, konsentrasi doping yang lebih rendah untuk lapisan absorpsi dapat menghasilkan medan listrik built-in dan menciptakan hambatan energi pada antarmuka lapisan kontrol muatan/lapisan absorpsi/lapisan kontak ohmik tipe-n [28]. Penghalang energi dapat menghambat difusi untuk pembawa yang dihasilkan foto ke dalam lapisan multiplikasi. Metode yang sangat nyaman yang dapat mengurangi hambatan adalah dengan meningkatkan konsentrasi doping di lapisan absorpsi. Akibatnya, nilai penghalang pita valensi efektif ψv untuk lapisan kontrol muatan adalah 513 meV dan 480 meV untuk perangkat B1 dan B4, masing-masing. Terlihat bahwa peningkatan konsentrasi doping untuk lapisan absorpsi mendorong transpor untuk lubang yang dihasilkan foto [lihat Gbr. 6c]. Ionisasi tumbukan akan menjadi kuat setelah lebih banyak lubang yang dihasilkan oleh foto dapat disuntikkan ke wilayah multiplikasi, yang dengan demikian menghasilkan peningkatan arus yang dihasilkan foto dan responsivitas.
Diagram pita energi lapisan kontrol muatan, lapisan absorpsi, dan lapisan kontak ohmik tipe-n untuk a perangkat B1 dan b perangkat B4, c profil konsentrasi lubang di bawah iluminasi 280 nm untuk perangkat B1 dan B4. Data dihitung pada tegangan balik 100 V
Dampak Parameter Struktural untuk Lapisan Kontrol Pengisian Daya pada Kinerja Fotolistrik
Untuk menyelidiki dampak ketebalan dan konsentrasi doping lapisan kontrol muatan pada kinerja fotolistrik, kami menetapkan informasi arsitektur yang berbeda untuk lapisan kontrol muatan seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3. Perangkat N1 hingga N4 dan perangkat C1 hingga C4 berbeda dari perangkat referensi saja dalam lapisan kontrol muatan. Konsentrasi doping dan ketebalan lapisan yang berbeda diadopsi untuk perangkat N1 hingga N4 dan C1 hingga C4.
Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, medan listrik yang memungkinkan terjadinya ionisasi tumbukan dan penguraian longsoran terutama terbatas pada lapisan penggandaan. Tegangan tembus sebagai fungsi dari ketebalan lapisan kontrol muatan pada Gambar 7a menyimpulkan bahwa ketebalan lapisan kontrol muatan memiliki pengaruh yang sangat kecil pada proses penggandaan pembawa. Hal ini dibuktikan lebih lanjut dengan menunjukkan Gambar 7b. Gambar 7c menunjukkan arus yang dihasilkan foto dalam hal bias yang diterapkan untuk perangkat referensi dan perangkat N1 hingga N4. Arus yang dihasilkan foto menjadi rendah setelah ketebalan lapisan kontrol muatan meningkat, yang juga menerjemahkan responsivitas yang lebih kecil dengan meningkatnya ketebalan lapisan kontrol muatan. Kami juga mengaitkan dengan rekombinasi nonradiatif yang ditingkatkan yang menggunakan pembawa dan menekan arus difusi.
a Tegangan rusak, b distribusi medan listrik vertikal dari SACM APD bias pada 160 V, c karakteristik tegangan foto di bawah iluminasi 280 nm, dan d karakteristik respons spektral APD SACM yang bias pada 100 V untuk perangkat referensi dan perangkat N1 hingga N4 dengan ketebalan lapisan kontrol muatan yang berbeda, masing-masing. Sisipkan gambar di a menunjukkan karakteristik tegangan arus yang dihitung dan penguatan perkalian untuk perangkat N1. Sisipkan gambar di c menunjukkan arus foto untuk perangkat referensi dan perangkat N1 hingga N4 bias pada 100 V
Peran lapisan kontrol muatan adalah untuk membatasi medan listrik yang kuat dan proses perkalian pembawa di dalam lapisan perkalian. Namun, lebar daerah penipisan dapat diperpanjang lebih lanjut selama konsentrasi doping di lapisan kontrol muatan berkurang. Profil medan listrik kemudian dapat secara substansial mempengaruhi tegangan tembus, arus yang dihasilkan foto, penguatan, dan responsivitas. Oleh karena itu, kami merancang perangkat C1 hingga C4 pada Tabel 3. Menurut Gambar 8a, saat konsentrasi doping menurun, tegangan tembus awalnya tetap sama, dan kemudian tegangan tembus meningkat ketika konsentrasi doping untuk lapisan kontrol muatan di bawah 2 × 10
18
cm
−3
. Sisipan Gbr. 8a menunjukkan bahwa tegangan tembus adalah ~ 315 V untuk perangkat C1 sedangkan arus gelap juga naik menjadi 3,5 × 10
−11
A dibandingkan dengan perangkat N1. Untuk mengungkapkan asal pengamatan pada Gambar 8a, kami menghitung distribusi medan listrik vertikal pada Gambar 8b, yang menunjukkan bahwa medan listrik terutama terkonsentrasi di lapisan perkalian untuk perangkat referensi dan perangkat C3 dan C4. Namun, medan listrik dan daerah penipisan menembus ke lapisan kontrol muatan ketika konsentrasi doping untuk lapisan kontrol muatan lebih rendah dari 2 × 10
18
cm
−3
. Perluasan daerah penipisan untuk perangkat C1 dan C2 membantu mengurangi intensitas medan listrik dan dengan demikian tegangan tembus juga meningkat untuk perangkat C1 dan C2. Peningkatan lebar daerah penipisan akan menghasilkan lebih banyak arus pembangkit muatan ruang, yang dengan demikian menghasilkan arus gelap yang meningkat, yaitu, 3,5 × 10
− 11
A dan 5 × 10
− 11
A untuk perangkat C1 dan C2, masing-masing. Kami kemudian menunjukkan arus yang dihasilkan foto pada panjang gelombang 280 nm pada Gambar. 8c. The 100V-biased spectral responsivity curves at different wavelengths for the five investigated devices are illustrated in Fig. 8d. Excellent agreement is obtained between Figs. 8c and d, such that the increased photo-generated current gives rise to the enhanced responsivity, i.e., devices C1 and C2. Other devices show similar photo-current level and the responsivity.
a Breakdown voltage, b vertical electric field distribution of the SACM APDs biased at − 160 V, c photocurrent biased at − 100 V, and d spectral response characteristics of the SACM APDs biased at − 100 V for reference device and devices C1 to C4 with different doping concentration of charge control layer, respectively. Inset figure in a shows the calculated current-voltage characteristics and the multiplication gain for device C1. Inset figure in c shows photocurrent-voltage characteristics for reference device and devices C1 to C4
As has been interpreted previously, the energy band barrier height at the interface of multiplication layer/charge control layer can soundly affect the carrier diffusion. Due to the expansion of the depletion region for devices C1 and C2, the electric field in the depletion region will annihilate the energy barrier at the interface of multiplication layer/charge control layer [e.g., the inset for device C1 in Fig. 9a]. Meanwhile, we observe the valence band barrier at the interface of multiplication layer/charge control layer for device C4 according to the inset for Fig. 9b. The energy barrier will correspondingly retard the hole diffusion into the multiplication layer from the charge control layer. We also selectively compute and show the hole concentration profiles for device C1 and C4 in Fig. 9c. Because the interface of multiplication layer/charge control layer for device C1 no longer hinders the injection of photo-generated holes into the multiplication layer, more holes are limited in the charge control layer and the absorption layer for device C4. As a result, the hole concentration in the multiplication layer for device C1 is higher than that for device C4. Thus, the enhanced photo-generated current and the responsivity for device C1 are obtained when compared with device C4.
Energy band diagrams for a device C1 and b device C4, c hole concentration profiles for device C1 and C4. Data are calculated at the reverse voltage of 100 V. Insets for a dan b show the local energy band diagrams for multiplication layer/charge control layer for devices C1 and C4, respectively
Impact of the Structural Parameters for the Multiplication Layer on the Photoelectric Performance
The impact ionization and the carrier multiplication process take place in the multiplication layer, making the design for the multiplication layer essentially vital for 4H-SiC SACM APDs. Therefore, we look into the impact of the thickness and doping concentration for the multiplication layer on the photoelectric performance for SACM APDs. The detailed structural information of the multiplication layer for different SACM APDs are summarized and presented in Table 4. The only difference for the devices in Table 4 lies on the multiplication layer.
As Fig. 10a presents, the breakdown voltage is enhanced from 110 to 210 V when the multiplication layer thickness is increased from 0.3 to 0.7 μm. For the purpose of demonstration, the inset of Fig. 10a demonstrates the current in terms of the voltage for reference device and devices P1 to P4. This indicates that a thick multiplication layer helps to reduce the electric field intensity [see Fig. 10b] and increase the breakdown voltage. We then show the photo-generated current for the five devices in Fig. 10c. The photo-generated current increases slightly with increasing the thickness of the multiplication layer for devices P2 to P4, except that device P1 has the highest photocurrent. The spectral responsivity characteristics for the five investigated devices at the reverse voltage of 100 V are provided in Fig. 10d. The peak responsivity for reference device and devices P2 to P4 improves slightly as the thickness of the multiplication layer increases, and this is because the number of carriers generated by impact ionization increases when the depletion region width increases. Note that device P1 with the thinnest multiplication layer owns the highest peak responsivity at the wavelength of 280 nm. This is because the − 100 V applied voltage is close to Geiger mode for device P1, and the avalanche gain is more likely to occur than that for other devices.
a Breakdown voltage, b vertical electric field distribution of the SACM APDs biased at − 160 V, c photocurrent biased at − 100 V, and d spectral response characteristics of the SACM APDs biased at − 100 V for reference device and devices P1 to P4 with different thicknesses of multiplication layer, respectively. Inset figure in a shows the calculated current-voltage characteristics for reference device and devices P1 to P4. Inset figure in c shows photocurrent-voltage characteristics under 280 nm illumination for reference device and devices P1 to P4
Then, we show the breakdown voltage in terms of the multiplication layer doping concentration for reference device and devices D1 to D4 in Fig. 11a. It seems that when the doping concentration for the multiplication layer is lower than 10
16
cm
−3
, the breakdown voltage is less affected. We believe the breakdown voltage can be significantly decreased if the doping concentration in the multiplication layer exceeds 10
18
cm
−3
. The dark current as a function of the applied bias for the five APDs are shown in the inset of Fig. 11a. The dark current increases with increasing doping concentration of the multiplication layer due to the enhanced space charge generation in the depletion region. Therefore, for the purpose of significantly decreasing the dark current and promoting the carrier multiplication process, we rarely have the multiplication layer heavily doped. Then, we calculate the vertical one-dimensional electric field profiles for the five studied devices, which are demonstrated in Fig. 11b. We can see that the electric field profiles of the five devices are mainly confined in the multiplication layer. In addition, Figs. 11c and d demonstrate the photo-generated current and the wavelength-dependent responsivity for the five devices. We can see that the photo-generated current for reference device and devices D1 and D2 are almost the same under the 280 nm illumination, while that the photon-generated current for the devices D3 and D4 is slightly increased. Therefore, the responsivity at the wavelength of 280 nm in Fig. 11d for devices D3 and D4 is slightly higher than the others.
a Breakdown voltage, b vertical electric field distribution of the SACM APDs biased at − 160 V, c photocurrent-voltage characteristics under 280 nm illumination, and d spectral response characteristics of the SACM APDs biased at − 100 V for reference device and devices D1 to D4 with different doping concentration of multiplication layer, respectively. Inset figure in a shows the calculated current-voltage characteristics for reference device and devices D1 to D4. Inset figure in c shows photocurrent for reference device and devices D1 to D4 biased at − 100 V
Impact of the Beveled Mesa Angle on the Photoelectric Performance
In order to eliminate premature breakdown and suppress leakage current that are caused by the junction termination, positive beveled mesas with a small inclination angle are usually adopted when fabricating 4H-SiC APDs [13,14,15,16, 18]. However, the angles of the positive beveled mesa adopted in previous reports are various. Thus, to get systematic insight into the influence of different mesa inclination angles on the electric field profiles for 4H-SiC SACM APDs, we design the devices that are shown in Table 5.
We firstly calculate and show the dark current-voltage characteristics for the six investigated devices with the various bevel angles in Fig. 12a. We can see that the dark current increases as the positive beveled angle becomes large [see Fig. 12a]. The breakdown voltages for the investigated devices are ~ 161.6 V except that device E5 is slightly less than 161.6 V. The premature breakdown is observed as the beveled mesa angle increase in the dark condition. Meanwhile, we calculate and show photo-generated current in terms of the applied bias for reference device and devices E1 to E5 in Fig. 12b. We also see that the photo-generated current also increases as the positive bevel increases according to the inset for Fig. 12b. The premature breakdown is also observed as the beveled mesa angle increase in Fig. 12b. Therefore, the responsivity of solar-blind waveband at − 100 V slightly enhances as the positive bevel angle increases according to Fig. 12c.
a Numerically calculated dark current-voltage characteristics, b photocurrent-voltage characteristics under 280 nm illumination, and c spectral response characteristics of the SACM APDs biased at − 100 V for reference device and devices E1 to E5, respectively
To reveal the origin for the observations in Figs. 12a and b, we calculate the lateral electric field distribution in the multiplication layer at the reverse bias of − 100 V in Fig. 13a, which demonstrates that, when the beveled mesas are utilized, the electric field decreases from the mesa center to the mesa edge. Moreover, the edge electric field intensity drops as the angle further decreases for the investigated devices. As has been mentioned, the junction termination will cause a large number of surface imperfections, which may cause the premature breakdown and the strongly leakage current, and the adopting of the beveled mesa shifts the premature breakdown from the mesa surface to the bulk [29]. Moreover, to get a full picture for the electric field profiles, the two-dimensional electric field distributions at the reverse bias of − 100 V for reference device and devices E1 to E5 are presented in Figs. 13b-g. We can see that the area of the high electric field in the entire multiplication layer gets narrowed, and this simultaneously causes the carriers that regenerated by impact ionization to decrease. As can be seen from Table 6, as the beveled mesa angle decreases, the surface electric field at the relative position of 700 μm decreases from 2.03 × 10
6
V/cm to 2.90 × 10
5
V/cm. As a result, the surface leakage and bulk leakage can be further suppressed as the beveled mesa angle get further decreased as shown in Fig. 12a. Although a small beveled mesa angle is preferred, this sacrifices the active detection area for APDs, and therefore, the responsivity is the lowest for device E1 according to Fig. 12c. Thus, one shall properly optimize beveled mesa angles depending on the crystalline quality for the 4H-SiC epitaxial layers and the surface conditions after junction termination. The suggested beveled angle in this works is in the range of 10–20°.
a Lateral electric field distribution of the multiplication layer at − 100 V, and numerically calculated two-dimensional electric field distribution at − 100 V for b device E1, c reference device, d device E2, e device E3, f device E4 and g device E5
Kesimpulan
To summarize, we have numerically investigated and demonstrated the impact of the thickness and doping concentration of each layer on photoelectric performance for 4H-SiC SACM APDs. The obtained conclusions are as follows:(1) for n-type ohmic contact layer with a properly high doping concentration (Nd ≈ 1 × 10
19
cm
−3
) to enable ohmic contact, the thickness and doping concentration hardly affect the breakdown voltage. Nevertheless, the responsivity decreases as the thickness of the n-type ohmic contact layer increases. The thickness shall be controlled to about 0.2 μm; (2) the doping concentration for the absorption layer is vitally important, which can modulate the photo-generated carrier transport and affect the responsivity. The doping concentration is generally controlled at the intrinsic concentration (Nd ≈ 1 × 10
15
cm
−3
); (3) the doping concentration for the charge control layer regulates the electric field distribution and affects the depletion region width for 4H-SiC SACM APDs. The depletion region width increases as the doping concentration of the charge control layer decreases. According to our results, when the doping concentration is about 1 × 10
18
cm
−3
, the depletion region can be completely terminated by the charge control layer; (4) the breakdown voltage can be strongly affected by the thickness of multiplication layer which is the main support region of the electric field. The dark current is sensitive to the doping concentration of multiplication layer, and a low doping concentration for the multiplication layer is required, since the doping concentration therein influences the space charge generation current. Thus, the suggested doping concentration in this works is intrinsic concentration (Nd ≈ 1 × 10
15
cm
−3
); (5) we also point out the advantage of beveled mesa for 4H-SiC SACM APDs, and the optimized beveled mesa angles shall be a compromise among the active detection area, the surface conditions for the mesa, and the crystalline quality for 4H-SiC epitaxial films. This work indicates that the optimum beveled mesa angle is in the range of 10–20°. We strongly believe that this work provides the physical insight for the device physics and hence the findings in this work are very important for 4H-SiC-based SACM APDs.
Ketersediaan Data dan Materi
The data and the analysis in the current work are available from the corresponding authors on reasonable request.
