Optimalisatiestrategie van 4H-SiC gescheiden absorptielading en vermenigvuldiging lawinefotodiodestructuur voor hoge ultraviolette detectie-efficiëntie

Abstract

In dit werk wordt systematisch parametrisch onderzoek gedaan naar structurele optimalisatie voor op 4H-SiC gebaseerde gescheiden absorptielading en vermenigvuldiging (SACM) lawine-ultraviolette fotodiode (UV APD). Volgens onze resultaten kan de doorslagspanning sterk worden beïnvloed door de dikte voor de vermenigvuldigingslaag en de doteringsconcentratie voor de ladingscontrolelaag. De dikte van de ohmse contactlaag van het n-type, de absorptielaag en de ladingscontrolelaag kan de lichtpenetratiediepte aanzienlijk beïnvloeden, wat dienovereenkomstig het aantal fotogegenereerde elektron-gatparen beïnvloedt, en daarom heeft de bovengenoemde laagdikte een sterke invloed op de responsiviteit voor SACM APD. Om de responsiviteit van de APD te verbeteren, hebben we een verminderde energiebandbarrièrehoogte nodig op het grensvlak van de optische absorptielaag en de ladingsregellaag, zodat het bevorderde dragertransport naar de vermenigvuldigingslaag kan worden bevorderd. Daarnaast onderzoeken we positief afgeschuinde mesa's met kleinere hoeken om het elektrische veld aan de mesarand te verminderen. Zo wordt de donkerstroom dienovereenkomstig onderdrukt.

Inleiding

Als halfgeleidermateriaal met brede bandgap vertonen siliciumcarbide (SiC) en aluminium galliumnitride (AlGaN) uitstekende materiaaleigenschappen, zoals een hoog kritisch elektrisch veld, een beter anti-stralingseffect en een goede thermische geleidbaarheid, waardoor het geschikt is voor ultraviolet (UV) detectie [1,2,3]. De instelbare bandgap tussen 3,4 en 6,2 eV voor de op AlGaN gebaseerde fotodetectoren maakt de regelbare afsnijgolflengte van 365 tot 200 nm mogelijk. Vanwege de moeilijkheid om hoogwaardige Al-rijke AlGaN-verbindingen te kweken, is de donkerstroom voor de op AlGaN gebaseerde fotodetectoren echter hoger dan die van op SiC gebaseerde tegenhangers [4]. Daarom hebben op SiC gebaseerde fotodetectoren uitgebreide onderzoeksinteresse gekregen. Tot op heden omvatten op 4H-SiC gebaseerde solid-state ultraviolette detectoren Schottky-barrièrediode, metaal-halfgeleider-metaal (MSM) fotodiode, p-i-n fotodiode en lawinefotodiode (APD) [5,6,7,8,9]. Vanwege de hoge lawineversterking, de kleine donkerstroom en de lage ruis, hebben 4H-SiC ultraviolette APD's geweldige toepassingsmogelijkheden in veel geavanceerde velden die zwakke ultraviolette signaaldetectie vereisen, zoals brandwaarschuwing, kwantumcommunicatie en raketdetectie [ 10,11,12]. SiC-materiaal heeft echter een lage lichtabsorptiecoëfficiënt, dus een gemeenschappelijke fotodiodestructuur met een dunne vermenigvuldigingslaag is moeilijk om een hoge kwantumefficiëntie te bereiken. Het probleem is pas opgelost als de gescheiden absorptielading en vermenigvuldiging (SACM)-structuur APD wordt voorgesteld. Aan de ene kant kan het UV-licht effectief worden geabsorbeerd door de absorptielaag en aan de andere kant kan de hoge interne winst worden verkregen in de hoogveldvermenigvuldigingslaag door middel van het impactionisatieproces. Het impactionisatieproces in de vermenigvuldigingslaag kan worden beëindigd door de ladingscontrolelaag [13, 14]. Het voordeel voor de SACM-structuur komt voort uit de verminderde ruis, omdat slechts een enkel type fotogegenereerde dragers met een grotere ionisatiesnelheid in de vermenigvuldigingslaag kan worden geïnjecteerd [15, 16]. Om een hoge detectiviteit voor een zwak ultraviolet signaal te verkrijgen, moeten SACM APD's met een groot actief detectiegebied worden gefabriceerd [17]. De grotere afmetingen van het apparaat gaan echter gepaard met de aanzienlijk verbeterde oppervlaktelekstroom en bulklekstroom. Dit stelt dus niet alleen strenge eisen aan de kwaliteit van de SiC epitaxiale wafer, maar vormt ook een grote uitdaging voor het fabricageproces van het apparaat en het ontwerp van het apparaat. In de afgelopen decennia heeft Cree Company de epitaxiale groeitechnologie voor SiC-films sterk gepromoot, wat dus verder heeft geleid tot de voortdurende verbetering van de kristallijne kwaliteit. Meest recentelijk hebben Zhou et al. hebben een fotoresist-reflowtechniek met variabele temperatuur voorgesteld om zeer gladde zijwanden te creëren voor de afgeschuinde 4H-SiC APD mesa [18], wat een hoge vermenigvuldigingswinst van meer dan 10⁶ mogelijk maakt en een lage donkerstroom van ~ 0.2 nA/cm² . Desalniettemin was het eerdere onderzoek meer gericht op het verbeteren van de materiaalkwaliteit en het optimaliseren van de fabricagetechnologie voor SACM APD's [19,20,21], terwijl de impact van structureel ontwerp op foto-gegenereerd dragertransport en fotostroomdetectie tot nu toe zelden is besproken . Daarom onderzoeken we in deze brief systematisch de opto-elektronische prestaties voor op 4H-SiC gebaseerde SACM-ultraviolette APD's met een groot oppervlak met verschillende structurele ontwerpen. Ondertussen worden er ook inzichtelijke fysieke beelden en discussies gegeven. We zijn van mening dat de bevindingen in dit werk nuttig zijn voor onderzoekers om 4H-SiC APD's tegen lagere kosten te optimaliseren.

Zoals bekend wordt de grootschalige dragervermenigvuldiging gegenereerd wanneer de impactionisatie plaatsvindt, die niettemin sterk wordt beïnvloed door de dikte voor de vermenigvuldigingslaag en de doteringsconcentratie voor de ladingscontrolelaag. Het zeer sterke elektrische veld wordt geproduceerd in de vermenigvuldigingslaag om de impactionisatie mogelijk te maken. Het elektrische veld kan worden beëindigd door de ladingscontrolelaag vanwege de grotere doteringsconcentratie daarin. Bovendien vinden we ook dat we, door de energieband tussen de absorptielaag en de ladingsregellaag te moduleren, in staat zijn om de spectrale responsiviteit aan te passen. Een redelijke adoptie van een positief afgeschuinde mesa kan een significante vermindering van het elektrische veld van het zijwandoppervlak bereiken, wat nuttig is om de donkere stroom en randdoorslag te onderdrukken. Gedetailleerde analyse en discussies zullen vervolgens worden uitgevoerd.

Onderzoeksmethoden en natuurkundige modellen

Afbeelding 1a toont de schematische dwarsdoorsnede voor een standaard 4H-SiC SACM APD die in dit werk wordt gebruikt, die n⁺ bezit -type 4H-SiC laag als substraat. Vervolgens bestaat de architecturale stapel uit een 3 μm dikke p⁺ -type laag (N _een = 1 × 10¹⁹ cm⁻³ ) die dienst doet als de ohmse contactlaag van het p-type, een 0,5 μm dikke n⁻ -type vermenigvuldigingslaag (N _d = 1 × 10¹⁵ cm⁻³ ) voor dragervermenigvuldiging, een 0,2 μm dikke n-type ladingscontrolelaag (N _d = 5 × 10¹⁸ cm⁻³ ) voor het beëindigen van het impactionisatieproces, en een 0,5 μm dikke n⁻ -type absorptielaag (N _d = 1 × 10¹⁵ cm⁻³ ) om de binnenkomende fotonen te absorberen. Bovenop de apparaatstructuur bevindt zich een 0,3 μm dikke n⁺ -type ohmse contactlaag (N _d = 1 × 10¹⁹ cm⁻³ ). Een positieve afschuiningshoek (θ = 8°) is gemaakt voor de mesa-structuur om de randafbraak te onderdrukken [22, 23]. De diameter voor de 4H-SiC SACM APD's is 800 m. Zowel de kathode- als de anodecontacten worden in onze berekeningen als ideale ohmse contacten beschouwd. Volgens Fig. 1c en d illustreren onze resultaten dat de berekende resultaten voor de bovengenoemde standaard 4H-SiC SACM APD-structuur de donkerstroom vertonen van 2,5 nA/cm² , de doorslagspanning van 161,6 V en de piekresponsiviteit van 0,11 A/W bij de golflengte van 280 nm. De berekende stroom-spanningskarakteristieken en responsiviteit voor standaard 4H-SiC SACM APD zijn consistent met de experimentele gegevens. Dit bewijst volledig dat de impactionisatie, de 4H-SiC-materiaalabsorptiecoëfficiënt, de Poisson-vergelijking, de stroomcontinuïteitsvergelijking en de drift-diffusievergelijkingen die in dit werk worden gebruikt, redelijk zijn. Hier nemen we de structuur in figuur 1a als onderzoeksbenchmark, terwijl de onderzochte variabelen de schuine mesahoek, de dikte en de dopingconcentratie voor elke laag omvatten.

een Schematische dwarsdoorsnedestructuur (niet op schaal getekend), b schematisch energiebanddiagram onder omgekeerde voorspanning voor standaard 4H-SiC SACM APD, c berekende stroom-spanningskarakteristieken en de vermenigvuldigingsversterking, en d berekende spectrale responskarakteristieken bij de sperspanning van 10 V voor standaard 4H-SiC SACM APD. Inzet figuur in c toont de gemeten stroom-spanningskarakteristieken en de vermenigvuldigingsversterking. Inzet figuur in d toont gemeten spectrale responskarakteristieken voor standaard 4H-SiC SACM APD met een bias van − 10 V

Om de impact van verschillende structurele variabelen op de foto-elektrische eigenschappen voor 4H-SiC SACM APD's beter te begrijpen, toont figuur 1b het schematische energiebanddiagram onder omgekeerde voorspanning. De foto-gegenereerde elektron-gat-paren in de absorptielaag zullen via de ladingsregellaag in de vermenigvuldigingslaag diffunderen. Nadat de foto-gegenereerde elektron-gat-paren het vermenigvuldigingsgebied hebben bereikt, zullen ze worden gescheiden door het uitgeputte elektrische veld. Gaten zullen dan een vermenigvuldigingsproces ervaren in de vermenigvuldigingslaag, wat aanleiding geeft tot interne stroomversterking. Ondertussen zullen de door foto gegenereerde elektronen terugkeren naar de kathode en worden omgezet in stroom zonder impactionisatie. Belangrijke factoren die de fotostroom beïnvloeden zijn onder meer de elektrische veldprofielen in de vermenigvuldigingslaag, de uitlijning van de energieband in de ladingsregellaag, de absorptielaag en de n-type ohmse contactlaag, waarbij elke energiebarrière het transport van de drager kan belemmeren. Het is ook vermeldenswaard dat de elektrische veldprofielen in de vermenigvuldigingslaag kunnen worden bepaald door de doteringsconcentraties voor zowel de vermenigvuldigingslaag als de ladingscontrolelaag. Ondertussen is de afgeschuinde mesahoek ook in hoofdzaak geassocieerd met de elektrische veldverdeling. We zullen ook aandacht besteden aan de dikte van elke laag om het zeer efficiënte dragerdiffusieproces te garanderen. Daarom is het belangrijk om deze belangrijke structurele parameters systematisch te bestuderen om de prestaties van het apparaat te optimaliseren.

De numerieke onderzoeken worden uitgevoerd door APSYS, dat stroomcontinuïteitsvergelijkingen, Poisson-vergelijkingen en drift-diffusievergelijkingen consistent met de juiste randvoorwaarden kan oplossen. Zowel impactionisatie als Zener-tunnelingprocessen zijn opgenomen in drift-diffusievergelijkingen. De carrier-carrier scattering voor het carrier transport proces is ook opgenomen in het low field mobility model. De levensduur van de Shockley-Read-Hall (SRH) recombinatie wordt aangenomen op 1 μs [24]. Met name het veld (E ) afhankelijkheid van de impact ionisatiecoëfficiënten voor elektronen (α _n ) en gaten (β _p ) voor op 4H-SiC gebaseerde lagen kan als volgt worden uitgedrukt door Chynoweth-formules (1) en (2) als volgt [25]:

$$ {\alpha}_n=1.98\times {10}^6\exp \left[-{\left(\frac{9.46\times {10}^6}{E}\right)}^{1.42}\ rechts]{\mathrm{cm}}^{-1} $$ (1) $$ {\beta}_p=4.38\times {10}^6\exp \left[-{\left(\frac{1.14\ keer {10}^7}{E}\right)}^{1.06}\right]{\mathrm{cm}}^{-1} $$ (2)

De absorptiecoëfficiënt (∂) in termen van verschillende golflengten (λ) voor 4H-SiC-materiaal wordt berekend door de volgende vergelijking. (3) [26]:

$$ \partial =-790.3+18.2\uplambda -0.17{\uplambda}^2+8.57\times {10}^{-4}{\uplambda}^3-2.39\times {10}^{-6}{ \uplambda}^4+3.53\times {10}^{-9}{\uplambda}^5-2.16\times {10}^{-12}{\uplambda}^6 $$ (3)

De andere materiaalparameters die in de numerieke modellen worden gebruikt, zijn elders te vinden [27]. De berekeningen zijn gebaseerd op de eindige-elementenmethode, waarbij gebruikers de mesh-verdelingen op de juiste manier moeten aanpassen om nauwkeurige berekeningen te maken.

Resultaten en discussies

Impact van de structurele parameters voor de n-type ohmse contactlaag op de foto-elektrische prestaties

Om het effect van de dikte en de doteringsconcentratie voor de ohmse contactlaag van het n-type op de foto-elektrische prestaties te onderzoeken, ontwerpen we respectievelijk een referentieapparaat, apparaten L1 tot L4 en apparaten A1 tot A4. Merk op dat het referentieapparaat de basis-SACM APD-structuur is zoals weergegeven in figuur 1a. Andere voorgestelde APD's zijn identiek aan het referentieapparaat, behalve de n-type SiC ohmse contactlaag, waarvan de gedetailleerde structurele informatie wordt weergegeven in tabel 1.

We tonen eerst de doorslagspanning in termen van de dikte voor de n-type SiC ohmse contactlaag in figuur 2a, d.w.z. apparaten L1 tot L4. De inzet voor Fig. 2a toont selectief de donkerstroom, de fotostroom onder de verlichting van 365 nm en de versterking voor apparaat L1. Voor apparaat L1 is de doorslagspanning ~ 161.6 V en de donkere stroomdichtheid blijft op het niveau van ~ 2.5 nA/cm² wanneer de bias lager is dan 161,6 V. Merk op dat de doorslagspanning wordt verkregen bij een stroom van 10⁻⁵ A. De donkerstroom neemt toe wanneer het impactionisatieproces plaatsvindt. Het fotostroomniveau wordt hoog in het lineaire gebied wanneer de 365nm-verlichting op het apparaat schijnt, en dit toont aan dat de vermenigvuldigingswinst meer dan 10³ kan zijn voor apparaat L1 bij de sperspanning van 161,6 V. De lawinedoorslagspanning voor de vijf onderzochte APD's is samengevat in figuur 2a. Uit figuur 2a kunnen we afleiden dat de dikte voor de ohmse contactlaag van het n-type een verwaarloosbaar effect heeft op de doorslagspanning. Om het onderliggende mechanisme voor de waarnemingen te onthullen, berekenen en tonen we de verticale elektrische veldverdeling voor referentieapparaat en apparaten L1 tot L4 in figuur 2b, wat illustreert dat de ladingscontrolelaag de grens voor het uitputtingsgebied en het elektrische veld in de vermenigvuldigingslaag. Daarom kunnen we speculeren dat de ohmse contactlaag van het n-type de elektrische veldprofielen in de vermenigvuldigingslaag niet zal beïnvloeden en dit wordt bewezen in figuur 2b. De waarnemingen in figuur 2b interpreteren de identieke doorslagspanning in figuur 2a goed voor referentie-apparaat en apparaten L1 tot L4. Vervolgens laten we de door foto gegenereerde stroom zien voor de vijf apparaten in figuur 2c. Voor een betere resolutie verzamelen we de door de foto gegenereerde stroom met een bias van 100 V die wordt weergegeven in de inzet voor figuur 2c. We kunnen zien dat de door foto gegenereerde stroom afneemt met de toenemende dikte voor de n-type ohmse contactlaag. Een te dikke ohmse contactlaag van het n-type zal ervoor zorgen dat de fotogegenereerde dragers niet-stralingsrecombinatie hebben en dienovereenkomstig de diffusiestroom vermindert. Met de door foto gegenereerde stroom kunnen we de spectrale responsiviteit krijgen voor referentieapparaat en apparaten L1 tot L4 bij de sperspanning van 100 V in figuur 2d. De piekresponsgolflengte voor de vijf onderzochte apparaten is gecentreerd op 280 nm. De responsiviteit neemt af met toenemende dikte van de n-type contactlaag, wat overeenkomt met de inzet voor figuur 2c. Daarom vatten we hier samen dat de dikte voor de n-type 4H-SiC ohmse contactlaag behoorlijk dun moet zijn om de verhoogde niet-stralingsrecombinatie en de verminderde diffusiestroom te voorkomen.

een Doorslagspanning, b verticale elektrische veldverdeling van de SACM APD's met een bias van − 160 V, c fotostroom-spanningskarakteristieken onder 280 nm verlichting, en d spectrale responskenmerken van de SACM APD's vooringenomen op − 100 V voor referentieapparaat en apparaten L1 tot L4 met respectievelijk verschillende diktes van n-type ohmse contactlaag. Inzet figuur in a toont de berekende stroom-spanningskarakteristieken en de vermenigvuldigingsversterking voor apparaat L1. Inzet figuur in c toont fotostroom voor referentieapparaat en apparaten L1 tot L4 voorgespannen op − 100 V

Vervolgens onderzoeken we de doorslagspanning als functie van de doteringsconcentratie in de n-type ohmse contactlaag door het referentieapparaat en de apparaten A1 tot A4 in Fig. 3a te analyseren. De inzet in Fig. 3a presenteert de donkerstroom, de door foto gegenereerde stroom en de versterking in termen van de toegepaste bias voor apparaat A1. De doorslagspanning wordt gedefinieerd wanneer de stroom 10⁻⁵ . bereikt A. Volgens figuur 3a is de doorslagspanning nauwelijks afhankelijk van de doteringsconcentratie in de n-type 4H-SiC ohmse contactlaag. Zoals eerder is aangetoond, kan de ladingscontrolelaag het uitputtingsgebied en het elektrische veld in de vermenigvuldigingslaag effectief inperken. De variatie voor de doteringsconcentratie in de ohmse contactlaag van het n-type heeft dus geen invloed op de verdeling van het elektrische veld in het apparaat [zie figuur 3b]. Vervolgens berekenen en tonen we door foto gegenereerde stroom in termen van de toegepaste bias voor referentieapparaat en apparaten A1 tot A4 in Fig. 3c. Uit figuur 3c blijkt dat de doteringsconcentratie van de ohmse contactlaag van het n-type een verwaarloosbaar effect heeft op de voorgespannen fotostroom. De spectrale responsiviteit bij verschillende golflengten voor de vijf onderzochte apparaten wordt getoond in figuur 3d. De gegevens worden berekend bij de sperspanning van 100 V. De golflengte met een maximale responsiviteit van ~ -0,11 A/W is 280 nm. In overeenstemming met figuur 3c is de responsiviteit minder afhankelijk van de doteringsconcentratie in de n-type ohmse contactlaag. Daarom concluderen we dat de responsiviteit meer wordt beïnvloed door de dikte dan de doteringsconcentratie voor de n-type ohmse contactlaag voor 4H-SiC SACM APD's. We raden ook aan om de dragerdiffusielengte te vergroten om de responsiviteit te vergroten.

een Doorslagspanning, b verticale elektrische veldverdeling van de SACM APD's met een bias van − 160 V, c fotostroom-spanningskarakteristieken onder 280 nm verlichting, en d spectrale responskenmerken van de SACM APD's met een bias van − 100 V voor respectievelijk referentie-apparaat en apparaten A1 tot A4 met verschillende dopingconcentraties van n-type ohmse contactlaag. Inzet figuur in a toont de berekende stroom-spanningskarakteristieken en de vermenigvuldigingsversterking voor apparaat A1. Inzet figuur in c toont fotostroom voor referentieapparaat en apparaten A1 tot A4 voorgespannen op − 100 V

Impact van de structurele parameters voor de absorptielaag op de foto-elektrische prestaties

In deze sectie wordt de impact bestudeerd van de dikte en de doteringsconcentratie voor de absorptielaag op de foto-elektrische prestaties voor op 4H-SiC gebaseerde SACM APD's. De gedetailleerde structurele informatie van de absorptielaag voor SACM APD's is samengevat en weergegeven in tabel 2. Apparaten M1 tot M4 en apparaten B1 tot B4 zijn structureel identiek aan het referentieapparaat, behalve de absorptielaag. Apparaten M1 tot M4 hebben verschillende diktes, terwijl apparaten B1 tot B4 verschillende doteringsconcentraties voor de absorptielaag hebben.

Door referentie-apparaat en apparaten M1 tot M4 te gebruiken, toont figuur 4a de doorslagspanning in termen van verschillende diktes voor de absorptielaag. Voor demonstratiedoeleinden berekenen en presenteren we de donkerstroom, de door foto gegenereerde stroom en de versterking als een functie van de toegepaste bias voor apparaat M1 in de inzet van figuur 4a. De doorslagspanning wordt verzameld wanneer de stroom 10⁻⁵ . is A. We kunnen zien dat de doorslagspanning nauwelijks afhangt van de dikte van de absorptielaag. Het is bekend dat de doorslagspanning sterk onderhevig is aan de elektrische veldintensiteit in de licht gedoteerde vermenigvuldigingslaag, en daarom toont figuur 4b de verticale elektrische veldverdeling voor de vijf bestudeerde apparaten bij de omgekeerde voorspanning van -160 V. veldverdelingen voor referentieapparaat en apparaten M1 tot M4 zijn precies hetzelfde, wat de conclusie in figuur 4a bevestigt. Vervolgens demonstreren we de door foto gegenereerde stroom en de responsiviteit in Fig. respectievelijk 4c en d. Zowel de door foto gegenereerde stroom [zie de inzet voor Fig. 4c] als de responsiviteit tonen de trend van afname met de toegenomen dikte van de absorptielaag. Om het onderliggende mechanisme verder aan te pakken, berekenen en tonen we ook de dragerverdeling binnen de vermenigvuldigingslaag in figuur 4e wanneer de omgekeerde bias 100 V is voor de vijf onderzochte apparaten. We kunnen zien dat zowel de elektronen- als de gatenconcentratieniveaus afnemen met de toenemende dikte van de absorptielaag, wat wordt toegeschreven aan de verbeterde niet-stralingsrecombinatie wanneer de absorptielaag dik wordt. De niet-radiatieve recombinatie verbruikt dragers, waardoor de diffusiestroom en de responsiviteit worden onderdrukt. Om het verbruik van dragers door niet-stralingsrecombinatie te vermijden, stellen we hier voor dat de absorptielaag niet te dik mag zijn voor het verkrijgen van 4H-SiC SACM APD's met een hoge detectiviteit.

een Doorslagspanning, b verticale elektrische veldverdeling van de SACM APD's met een bias van − 160 V, c fotostroom-spanningskarakteristieken onder 280 nm verlichting, d spectrale responskenmerken, en e dragerconcentratieprofielen in de vermenigvuldigingslaag van de SACM APD's met een bias van − 100 V voor respectievelijk referentie-apparaat en apparaten M1 tot M4 met verschillende diktes van de absorptielaag. Inzet figuur in a toont de berekende stroom-spanningskarakteristieken en de vermenigvuldigingsversterking voor apparaat M1. Inzet figuur in c toont fotostroom voor referentieapparaat en apparaten M1 tot M4 voorgespannen op − 100 V

Naast de dikte van de absorptielaag heeft ook de doteringsconcentratie voor de absorptielaag een significante invloed op de prestaties van het apparaat. Vervolgens berekenen en tonen we de doorslagspanning voor referentieapparaat en apparaten B1 tot B4 in Fig. 5a. De doorslagspanning wordt gedefinieerd wanneer de stroom 10⁻⁵ . is A zoals weergegeven in de inzet van figuur 5a. Uit figuur 5a blijkt dat de doteringsconcentratie voor de absorptielaag geen significant effect heeft op de doorslagspanning. Het kan verder worden bewezen door de verticale eendimensionale elektrische veldverdelingen in figuur 5b, zodat de doteringsconcentratie voor de absorptielaag de elektrische veldprofielen in de vermenigvuldigingslaag niet significant verandert. We presenteren ook de door foto gegenereerde stroom bij de golflengte van 280 nm voor de bestudeerde apparaten in Fig. 5c, wat de verbeterde door foto gegenereerde stroom aangeeft wanneer de dopingconcentratie in de absorptielaag toeneemt. Als we het goed eens zijn met figuur 5c, heeft de golflengteafhankelijke responsiviteit in figuur 5d ook de voorkeur naarmate de doteringsconcentratie voor de absorptielaag toeneemt, bijvoorbeeld apparaat B4.

een Doorslagspanning, b verticale elektrische veldverdeling van de SACM APD's met een bias van − 160 V, c fotostroom-spanningskarakteristieken onder 280 nm verlichting, en d spectrale responskenmerken van de SACM APD's met een bias van − 100 V voor respectievelijk referentie-apparaat en apparaten B1 tot B4 met verschillende dopingconcentraties van de absorptielaag. Inzet figuur in a toont de berekende stroom-spanningskarakteristieken en de vermenigvuldigingsversterking voor apparaat B1. Inzet figuur in c toont fotostroom voor referentieapparaat en apparaten B1 tot B4 voorgespannen op − 100 V

Om de diepgaande oorsprong voor de verbeterde responsiviteit voor apparaat B4 te tonen, tonen we de energiebandprofielen voor de ladingscontrolelaag, de absorptielaag en de n-type ohmse contactlaag voor apparaten B1 en B4 in Fig. respectievelijk 6a en b. Hier is het vermeldenswaard dat de doteringsconcentraties voor de ladingscontrolelaag en de n-type ohmse contactlaag 5 × 10¹⁸ zijn cm⁻³ en 1 × 10¹⁹ cm⁻³ , respectievelijk. Daarom kan de lagere doteringsconcentratie voor de absorptielaag een ingebouwd elektrisch veld genereren en de energiebarrières creëren op grensvlakken van de ladingscontrolelaag/absorptielaag/n-type ohmse contactlaag [28]. De energiebarrières kunnen de diffusie van de door foto gegenereerde dragers in de vermenigvuldigingslaag vertragen. Een zeer handige methode om de barrières te verminderen is het verhogen van de dopingconcentratie in de absorptielaag. Als resultaat zijn de effectieve valentiebandbarrièrewaarden ψ _v voor de laadcontrolelaag zijn respectievelijk 513 meV en 480 meV voor apparaten B1 en B4. Men ziet dat de verhoogde doteringsconcentratie voor de absorptielaag het transport van de door foto gegenereerde gaten bevordert [zie Fig. 6c]. De impactionisatie zal sterk worden zodra er weer foto-gegenereerde gaten in het vermenigvuldigingsgebied kunnen worden geïnjecteerd, wat dienovereenkomstig resulteert in de verhoogde foto-gegenereerde stroom en de responsiviteit.

Energiebanddiagrammen van laadcontrolelaag, absorptielaag en n-type ohmse contactlaag voor a apparaat B1 en b apparaat B4, c gatenconcentratieprofielen onder 280 nm verlichting voor apparaat B1 en B4. Gegevens worden berekend bij de sperspanning van 100 V

Impact van de structurele parameters voor de laadcontrolelaag op de foto-elektrische prestaties

Om de impact van de dikte en de doteringsconcentratie van de ladingscontrolelaag op de foto-elektrische prestaties te onderzoeken, hebben we verschillende architecturale informatie voor de ladingcontrolelaag ingesteld, zoals weergegeven in tabel 3. Apparaten N1 tot N4 en apparaten C1 tot C4 verschillen alleen van het referentieapparaat in de laadcontrolelaag. Voor apparaten N1 tot N4 en C1 tot C4 worden verschillende doteringsconcentraties en laagdiktes toegepast.

Zoals eerder vermeld, is het elektrische veld dat de impactionisatie en de lawinedoorslag mogelijk maakt, voornamelijk beperkt in de vermenigvuldigingslaag. De doorslagspanning als functie van de dikte van de ladingsregellaag in figuur 7a leidt hieruit af dat de dikte van de ladingsregellaag een zeer gering effect heeft op het dragervermenigvuldigingsproces. Dit wordt verder bewezen door figuur 7b te tonen. Afbeelding 7c toont de door foto gegenereerde stroom in termen van de toegepaste bias voor referentieapparaat en apparaten N1 tot N4. De door foto gegenereerde stroom wordt laag zodra de dikte van de ladingsregellaag toeneemt, wat ook de kleinere responsiviteit vertaalt naarmate de dikte voor de ladingsregellaag toeneemt. We schrijven ook toe aan de verbeterde niet-stralingsrecombinatie die dragers verbruikt en de diffusiestroom onderdrukt.

een Doorslagspanning, b verticale elektrische veldverdeling van de SACM APD's met een bias van − 160 V, c fotostroom-spanningskarakteristieken onder 280 nm verlichting, en d spectrale responskenmerken van de SACM APD's vooringenomen op − 100 V voor respectievelijk referentie-apparaat en apparaten N1 tot N4 met verschillende diktes van de laadcontrolelaag. Inzet figuur in a toont de berekende stroom-spanningskarakteristieken en de vermenigvuldigingsversterking voor apparaat N1. Inzet figuur in c toont fotostroom voor referentieapparaat en apparaten N1 tot N4 voorgespannen op − 100 V

De rol van de ladingscontrolelaag is om het sterke elektrische veld en het dragervermenigvuldigingsproces binnen de vermenigvuldigingslaag te beperken. De breedte van het uitputtingsgebied kan echter verder worden vergroot zolang de doteringsconcentratie in de ladingcontrolelaag afneemt. De elektrische veldprofielen kunnen dan de doorslagspanning, de door foto opgewekte stroom, de versterking en de responsiviteit aanzienlijk beïnvloeden. Daarom ontwerpen we apparaten C1 tot C4 in tabel 3. Volgens figuur 8a blijft de doorslagspanning aanvankelijk hetzelfde als de doteringsconcentratie afneemt, en vervolgens neemt de doorslagspanning toe wanneer de doteringsconcentratie voor de laadcontrolelaag lager is dan 2 × 10¹⁸ cm⁻³ . De inzet van Fig. 8a geeft aan dat de doorslagspanning ~ 315 V is voor apparaat C1, terwijl de donkerstroom ook stijgt tot 3,5 × 10⁻¹¹ A vergeleken met die voor apparaat N1. Om de oorsprong van de waarnemingen in figuur 8a te onthullen, berekenen we de verticale elektrische veldverdeling in figuur 8b, wat aantoont dat het elektrische veld voornamelijk geconcentreerd is in de vermenigvuldigingslaag voor referentieapparaten en apparaten C3 en C4. Het elektrische veld en het uitputtingsgebied dringen echter door in de ladingscontrolelaag wanneer de doteringsconcentratie voor de ladingcontrolelaag lager is dan 2 × 10¹⁸ cm⁻³ . De uitbreiding van het uitputtingsgebied voor apparaten C1 en C2 helpt om de elektrische veldintensiteit te verminderen en dus wordt de doorslagspanning dienovereenkomstig verhoogd voor apparaten C1 en C2. De grotere breedte van het uitputtingsgebied zal meer ruimteladingsopwekkingsstroom opleveren, wat dus resulteert in een verhoogde donkerstroom, d.w.z. 3,5 × 10^− 11 A en 5 × 10^− 11 A voor respectievelijk apparaten C1 en C2. We tonen vervolgens de door foto gegenereerde stroom bij de golflengte van 280 nm in figuur 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.

een 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 en 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.

een 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 10¹⁶ 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 10¹⁸ 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.

een 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.

een 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 × 10⁶ V/cm to 2.90 × 10⁵ 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°.

een 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

Conclusies

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 (N _d ≈ 1 × 10¹⁹ 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 (N _d ≈ 1 × 10¹⁵ 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 × 10¹⁸ 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 (N _d ≈ 1 × 10¹⁵ 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.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

The data and the analysis in the current work are available from the corresponding authors on reasonable request.

Afkortingen

AlGaN:: Aluminum gallium nitride
APSYS:: Advanced Physical Models of Semiconductor Devices
MSM:: Metal-semiconductor-metal
SACM:: Separated absorption charge and multiplication
SiC:: Siliciumcarbide
SRH:: Shockley-Read-Hall
UV APD:: Avalanche ultraviolet photodiode

Photo-Fenton-afbraak van AO7 en fotokatalytische reductie van Cr(VI) over CQD-versierde BiFeO3-nanodeeltjes onder zichtbare en NIR-lichtbestraling Met behulp van Omniscan-geladen nanodeeltjes als een tumor-gerichte MRI-contrastmiddel in oraal plaveiselcelcarcinoom door Gelatinase-Stimuli-strategie

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal