ZnO基MSM肖特基型紫外探测器的仿真.doc

ZnO基MSM肖特基型紫外探测器的仿真ZnO基金属-半导体-金属(MSM)肖特基型紫外探测器具有暗电流低、响应速度快、易于集成等优点,在导弹追踪、紫外通信、火灾的探测与报警等军民两用方面具有广阔的应用前景,成为ZnO紫外探测器(UVPD)研究的热门课题之一。MSM结构因其叉指电极对入射光的遮光效应,对器件的光电性能产生了一定的负面影响。合理地选择器件的结构参数,采用不对称及新型电极结构能有效地提高探测器的光电性能。鉴于国内外紫外探测器的研究现状,本文从物理建模、仿真分析、结构优化等方面出发,通过仿真软件Sivaco中的Atlas对ZnOMSM紫外探测器的光电特性展开了系统的研究,并取得了以下研究成果:首先,基于热电子发射理论,建立了ZnOMSM肖特基型紫外探测器的物理模型。对金属叉电极宽度度和间距分别为13μm和8μm的器件进行了仿真验证。结果表明:该结构的探测器在1V偏压时,暗电流值为8.59×10-10A;光电流至少比暗电流大三个数量级;光谱响应峰值为0.066A/W,对应截止波长为370nm,波长在370nm~600nm响应度急剧下降。且研究了外延层厚度、载流子浓度及电极尺寸等结构参数对探测器I-V特性的影响。仿真结果表明:其I-V特性受器件结构参数影响较大,外延层厚度0.5μm,载流子浓度1×1015cm-3,电极宽度1.5μm,电极间距2.5μm的探测器在10V偏压下具有较大的量子效率47.4%,较高的响应度0.141A/W,较高的光暗电流比61174。其次,仿真结果表明不对称功函数电极有助于降低ZnO基MSM-PD的暗电流。通过对10V偏压下探测器归一化光暗电流比(NPDR)的研究,得出不对称结构Ag/ZnO/PdMSM-PD具有最高的NPDR,比对称结构Ag/ZnO/Ag的值大约高一个数量级;同样的方法得出不对称接触面积电极对ZnO基MSM-PD暗电流特性也有抑制作用。在10V的偏压下,对于总的电极接触长度和电极间距相同的探测器,随着不对称接触面积(也是不对称接触长度)之比增加到1:7时,暗电流下降大约2倍。由于电极间距保持不变,所以光电流特性没有受到影响。且随着电极不对称程度的加剧,光暗电流比(PDR)相应的提高。最后,建立了三角形电极MSM-PD的仿真模型,并对其I-V特性进行了仿真研究。结果表明:与传统结构MSM-PD相比,三角形电极MSM-PD光电流增加了58.3%,而暗电流没有明显增大。研究了三角形电极底角、电极间距和电极宽度对探测器I-V特性的影响,发现这些参数对光入射效果起着重要的作用。为了实现最佳光电探测性能,对三角形电极结构进行了优化。优化结果表明:15V偏压和370nm光照下,电极底角为60o,电极宽度和电极间距分别为2μm和2.5μm的探测器达到最优,拥有较大的光暗电流比,较高的量子效率和响应度,其数值分别为53500、79.3%、0.238A/W。同样,建立了半圆形电极MSM-PD的仿真模型,研究了探测器电极尺寸对光谱响应特性的影响。同样对半圆形电极结构进行了优化。优化结果表明:电极半径为0.5μm,电极间距为2μm的探测器在370nm附近具有最大的响应度0.170A/W,相应的外量子效率达到55.5%。