（微电子学与固体电子学专业论文）光控sic器件的计算机模拟.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所旱交的学 位论艾是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一问j 二作的同志对本殳所论述的 作的任何贡献均已在沦文中作c u f f 确的 说明j i ：已致谢， 本论文及其相关资料蔷有小实之处由本人承担一切相关贡任 论文作者签名 锄瑞英 井年碑岁爿z 日 保护知识产权申明 本人完全了解西安理t ：大学有关保护知识产权的规定，即：研究生住 校攻i 卖学位期间所取得的所订研究成果的知识产权属西安理1 ：大学所有 本人保i 止：发表或使用与本论艾相父的成果时署名单位仍然为西安理l ：大 学，无论何时何地术经学校许可，决小转移或扩舣与之相关的任何技术 或成果，学校仃权保留本人所提交论文的原件或复印件允许论丈被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以上中明同样适川) 论丈作者签名：蛰堡篓导师签名：匿蝴巩绰多月岁口同 摘要 光控s i c 器件的计算机模拟 学科名称：微电子学与固体电子学作者：靳瑞英 指导教师：陈治明( 教授) 蒲红斌( 讲师) 答辩日期： 摘要 在本文中，通过使用二维器件模拟软件m e d i c i ，对s i c g e s i c 异质结的光电特 性进行了模拟。在这个异质结中，n 型重掺杂3 c s i c 层的厚度为l , a m ，p 型轻掺杂 s i c g e 层厚度为o 4 p m ，二者之间形成突变异质结。在反向偏压为3 v 、光强度为 o 2 3 w a t t s c m 2 的条什下，经计算机模拟发现，p - n + s i c o8 g e o2 s i c 和p - n + s i c ( 17 g e o ，s i c 敏感波长九最大可以分别达到0 6 4 肛m 和o 7 岬，光电流分别为7 7 6 5 x 1 0 “a g m 和 7 4 3 8 x 1 0 - 7 a g m ；为了进一步提高s i c g e s i c 光电二极管的光电流，将p n + 两层结构 改进为p - l n 三层结构。在同样的偏压、光照强度条件下，p _ i i is i c o8 g e o2 s i c 和p - f _ n s i c o 7 g e o3 s i c 的光电流分别达到1 6 7 3 4 x 1 0 - 0 a p r o 和1 8 4 4 x 1 0 6 a p m 。 为了解决目前电控s i c d a r l i n g t o n 器件固有的电磁干扰问题，我们提出一种光控 s i c d a r l i n g t o n 器件的新结构，它是由s i c g e s i c 异质结光电二级管和s i c - d a r l i n g t o n 晶体管单片集成构成的。通过计算机模拟可以发现，我们设计的s i c d a r l i n g t o n 晶体 管当在集电极和发射极的反向电压v c e = 1 0 0 v ，基极电流为1 1 0 。a p a n 的条件下工作 时，输出电流可以达到1 1 0 一a i _ t m ，电流增益b 峰值可以达到1 0 0 0 ；同时，我们设计 的s i c g e s i c 异质结光电二极管产生的光电流也可以达到i 刈0 - 7 a p m ，这说明了光控 s i c d a r l i n g l o n 器件的新结构是可行的。 关键词：s i c g e s i c ，异质结，吸收系数，光控s i c d a r l i n g t o n 本课题为国家自然基金资助课题( 6 0 3 7 6 0 1 1 ) 垒堕! 竺! s i m u l a t i o no fl i g h t a c t i v a t e ds i c - b a s e dp o w e rd e v i c e s a u t h o r ：j i nr u i y i n gs u p e r v i s o r s ：c h e nz h i m i n g p uh o n g b i n a b s t r a e t p h o t o e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c so fs i c g e s i ch e t e r o j u n c t i o nd i o d ew e r es i m u l a t e du s i n g m e d i c it o o l s ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep r e s e n t e da n dd i s c u s s e di nt h i sp a p e rt h e a b r u p th e t e r o j u n c t i o nd i o d ei sc o m p o s e do f al g mt h i c kh e a v i l yd o p e dn t y p es i cl a y e ra n d a0 4 p r ot h i c kl i g h t l yd o p e dp - t y p es i c l 。g e 、l a y e rw i t hv a r i e dc o m p o s i t i o nr a t i o s i th a s b e e ns h o w nt h a tp h o t o c u r r e n to ft h ep n + s i c l q g e x s i cd i o d ed o e sn o td e c r e a s ea p p a r e n t l y b yc h a n g i n gt h ec o m p o s i t i o nr a t i of r o m0 2t o0 3 f o rt h ea p p l i e dr e v e r s e b i a sv o l t a g eo f3 v a n dt h ei n c i d e n tl i g h ti n t e n s i t yo f 0 2 3 w a t t s c m 2c o r r e s p o n d i n gp h o t o c u r r e n t so f t h ed i o d e s a r e7 7 6 5 x 1 0 。7 a p ma n d7 4 3 9 x 1 0 a g m a n dt h el o n g e s tw a v e l e n g t ht i m i t s a r co 6 4 9 i n a n d0 7 0 1 x m ，r e s p e c t i v e l y i th a sa l s ob e e ns h o w nb yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h a tp - i n s t r u c t u r ec o m p o s e db ya d d i n gap t - s i c l g e t h i nl a y e ro nt o po ft h el i g h t l yd o p e dp - t y p e s i ci 如e 、l a y e ri sm u c hb e c t e rf o ro b t a i n i n g a h i g h e rp h o t o c u r r e n t u n d e r t h es a m e c o n d i t i o n s p h o t o c u r r e n t so f1 6 7 3 4 1 0 。6 a l a ma n d1 8 4 4 x 1 0 一o a g i nc a nb eo b t a i n e d i nt h e p - i ns i c i g e s i cd i o d e sw i t hx = 0 2a n d0 , 3 ，r e s p e c t i v e l y - t oe l i m i n a t et h ee m ip r o b l e m o ft h e s i c - d a r l i n g t o n t r a n s i s t o r , an o v e l l i g h t a c t i v a t e ds i c d a r l i n g t o nd e v i c ei sp r e s e n t e d i ti sa c c o m p l i s h e dt h a tas i c - d a r l i n g t o n t r a n s i s t o ra n das i c g e s i ch e t e r o j u n c t i o np h o t o d i o d ee m p l o y e dt op r o d u c eab a s ec m t e n t t ot r i g g e rt h ef o r m e ra r em o n o l i t h i c a l l yi n t e g r a t e dw h e nt h eb l o c k i n gv o l t a g ev c eb e t w e e n t h ec 0 1 1 e c t o ra n dt h ee m i t t e re l e c t r o d e so ft h es i cd a r l i n g t o ni s 10 0 va n dt h eb a s ec u r r e n t i sa b o u ti 10 a g m t h eo u t p u tc u r r e n ta p p r o x i m a t e l ya m o u n t st o 10 。a p mw i t ht h ep e a k c u r r e n tg a i nbo fm o r et h a n1 0 0 0 b ym e a n so fa p p r o p r i a t ed e s i g n ，t h eo u t p u tp h o t o 。“。7 。1 1 t o f t h es i c g e s i ch e t e r o j u n c t i o np h o t o d i o d ec a nr e a c h1 x l o 。a g i nl a r g ee n o u g ht om a k e t h es i cd a r l i n g t o nt r a n s i s t o ro p e r a t ei na no p t i m a ls t a t u s t h e ni ti so b t a i n e dt h a tt h ei d e ao f t h en o v e ll i g h t a c t i v a t e dd e v i c ei sf e a s i b l e k e vw o r d s ：s i c g e s i c ，h e t e r o j u n c t i o n ，a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t ，s i cd a r l i n g t o n 第一章绪论 第一章绪论弟一旱瑁化 1 1 开发光控s i c 功率器件的意义 由于s i c 材料本身固有的特性，s i c 功率器件不仅具有高阻断电压、 大输出电流，同时还有体积小、重量轻和可以在高温下工作的特点1 。 近年来，随着s i c 生长技术的不断完善，己经成功制备出性能优良的 s i c n p n 晶体管及d a d i n g t o n 晶体管 3 1 ”。y it a n 2 和t p a u lc h o w 制 备出各种不同的s i c d a r l i n g t o n 晶体管，它们的电流增益和阻断电压随着 器件本身几何尺寸的改变而表现出较大的差异，电流增益可以从8 0 变化 到2 0 0 0 ”18 1 。然而，已制备的s i c d a r l i n g t o n 晶体管都是电控器件。传 统的电控系统非常容易受到电磁干扰( e m i ) ，这就影响了对输出电流的精 确控制程度。如果采用光控系统即用触发光来控制器件，这样就可以消 除电磁_ 扰的影响。 然而s i c 对大部分可见光和全部的红外光都不敏感，所以使用通用 的触发光无法控制s i c 器件。为了实现通用的触发光来控制 s i c d a r l i n g t o n 晶体管，p r a s h a n trb h a d r i 和f r e dr b e y e t t ej r 将s i 基光 电探测器模块和s i c d a r l i n g t o n 晶体管结合在一起。在这个s i s i c 器 件中，5 m w 的触发光可以使s i 基光电探测器模块产生1 5 m a 的光电流， 在这个电流的驱动下s i c d a r l i n g t o n 器件町以产生1 5 0 a 的输出电流。这 种光控s i s i c 器件适合在飞行器上使用。但是，这种结构中的触发电流 仍然由外部流入，所以电磁干扰依然存在。 虽然光电集成已经成为现今的一个研究热点，但是s i c 还没有实现 在此领域的应用。在我们的研究工作中，利用s i c g e 材料吸收可见光或 红外光的特性，制成s i c g e s i c 异质结光电二极管，通过调整g e 在s i c g e 中的含量，可以使s i c g e s i c 光电二极管吸收接近红外区的可见光，同 时其产生的光电流可以触发我们设计的s i c d a r l i n g t o n 晶体管，实现光控 s i c d a r l i n g t o n 器件。这不仅减小了光控s i c d a r l i n g t o n 晶体管的重量和 西安理工大学硕士学位论文 体积，而且消除了电磁干扰，使得对光控s i c d a r l i n g t o n 晶体管的研究具 有很重要的实际意义。 1 2 实现光控s i c 器件的方法 目前实现光控s i c 器件的方法有两种：第一、采用异质结的办法， 将一种窄禁带的材料和s i c 做成异质结；另一种方法是利用杂质吸收。 相比较采用窄禁带材料与s i c 构成异质结比较可行。 g k a t u l k a 、k r o e 等人已经采用离子注入的方法对s i c 中掺g e ，并 对s i c g e s i c 异质结的特性做了进一步的研究 q i 1 1 1 。由于方法的限 制，g k a t u l k a 、k r o e 等人制成的s i c g e 中g e 的含量仅有0 4 。此时， g e 含量太低，不能有效地降低s i c g e 合金的禁带宽度。如果采用其它方 法，比如c v d 法，将有可能生长出g e 含量更高的s i c g e 合金。人们在 s i l _ x 一。g e 。c 。三元合金领域已经进行大量的研究1 2 】【1 ，在6 0 0 7 0 0 c i 付， 采用c v d 的方法可以生长c 含量小于1 的s i l - x - y g e 。c 。晶体，实现了在 s i g e 合金中掺c 。我们受到生长s i l - x - y g e 。c 。晶体的启发，同样采用c v d 的方法，向s i c 中掺g e ，g e 含量的提高可以大大降低s i c g e 的禁带宽 度e g ，从而达到对可见光、红外光的本征吸收，本研究在理论上对s i c g e 组份进行分析计算，并确定其组份比，使其满足窄禁带和与s i c 较小的 晶格失配，为在s i c 上生长s i c g e 提供理论指导。 当然，将很难确保c v d 法生长出的s i c g e 晶体中s i 和c 的含量准 确比为1 ：l ，但只要s i c g e 晶体有较窄的禁带宽度，并且与s i c 有较小的 晶格失配，s i c g e s i c 异质结就会具有良好的光控特性，从而达到使用波 长较长的触发光来控制s i c 器件的目标。 1 3 本文的主要内容 ( 1 ) 对s i c g e 三元合金的材料物理特性进行理论分析，找出与3 c s i c 第一章绪论 晶格失配最小和禁带宽度最小的s i c g e 合金的组份。然后，根据 m c f a r l a n c r o b e , s 间接禁带吸收系数公式估算s i c g e 的吸收系数。 ( 2 ) 使用m e d i c i 二维器件模拟工具对s i c g e s i c 光电二极管进行计 算机模拟。得出在特定组份下的光电二极管所对应最长触发光的波长及 光电流的大小。 ( 3 ) 使用m e d i c i 二维器件模拟工具对s i c d a r l i n g t o n 进行计算机模 拟。通过对s i c d a r l i n g t o n 器件的模拟，我们可以确定出开启 s i c d a r l i n g t o n 器件的电流大小：并设计的光电二极管的光电流能够大于 这个开启电流。 ( 4 ) 将设计的光电二极管和s i c d a r l i n g t o n 器件结合在一起。这样我 们就可以出设计一种新的光控s i c d a r l i n g t o n 器件结构，并对其工艺可行 性进行讨论。 第二章s i c g e 材料特性的理论分析 第二章s i c g e 材料特性的理论分析 2 1s i c g e 晶格常数与禁带宽度的计算 2 1 1s i c g e 的晶格常数的计算 s i c g e 三元合金的晶格常数没有具体的实验数据，我们可以根据 v e r g a r d 定律来进行计算。我们将s i l - x y c 。g e y 中s i ：c 的比例固定为l ：1 ， 这样s i c g e 三元合金当作s i c 和g e 二元合金来处理，然后再根据二元 合金的v e g a r d 定律( 2 一1 ) 来计算其晶格常数。s i c i _ x g e 、二元合会的公式如 下： a ( s i c ) g 邑2 ( 1 一j d + a “， 2 - 1 这里的s i c 我们选3 c s i c 的晶格常数，改变x 的大小，可以得到不 同组份下的s i c l 。g e 。合金的晶格常数。当x = 0 1 、0 2 、0 3 和o 4 时， s i c i _ x g e 。合金的品格常数为4 4 8 2 6a 、4 6 1 3 la 、4 7 4 3 7a 和4 8 7 4 2a ， 它们与3 c s i c 的晶格失配分别为3 o 、6 o 、9 0 和1 2 o 。 如果我们把s i c g e 当作三元合金来看，s i ：c 的比例固定为l ：1 。此时， 改变g e 的含量，我们可以得出s i o4 5 c o4 5 g e o l 、s i o4 c o4 g e o2 、s i o3 5 c o3 5 g e o3 和s i o3 c o3 g e o4 。根据三元合金的v e g a r d 定律： a 耐一，c g “= 【1 一一一】，j 口+ x a ( - + y a 恤 2 2 可以计算晶格常数的大小分别为：4 6 1 4 8a 、4 7 3 0 7a 、4 8 4 6 5a 和4 9 6 2 4 a 。它们与3 c s i c 的晶格失配分别为：6 0 4 、8 7 、1 1 3 6 和1 4 0 3 。 在本文中，由于我们需要的是s i c 中掺g e ，所以采用前一种的计算结果。 从计算结果可以看出随着g e 含量的增加s i c g e 合金的晶格常数变 大，同时与3 c s i c 的晶格失配也变的很大。所以，考虑到晶格失配的问 题，在选择s i c g e 的组份时，g e 的含量不能太大。 西安j e _ r - 大学硕士学位论文 2 1 2s i c g e 的禁带宽度的计算 人们对s i c g e 三元合金的禁带宽度已经进行了大量的理论计算 【14 1 。在本文中我们采用b a o r n e r 等人的理论计算出任意组份s i c g e 三元合金的禁带宽度的结果，如图2 - 1 所示1 5 1 。 圈2 一is i g e c 三兀台金蘩带宽度 图2 1 中，三角形的三边分别表示s i 、g e 和c 的百分含量，三角形 中的横线表示禁带宽度的大小。比如：数字2 , 0 所在的横线，表示这条线 上所有的点的禁带宽度都是2 0 e v 。从图2 - l 中，我们可以读出任意s i c g e 合金的禁带宽度的大小。于是，我们读出s i c o9 g e 0 1 、s i c o8 g e o2 、 s i c o7 g e o3 、s i c o6 g e o4 、它们的禁带宽度分别为1 8 2 e v 、l ，6 7 e v 、1 5 2 e v 、 1 3 8 e v 。 根据本征吸收长波限的公式： 元2 赫 2 。 当禁带宽度小于1 6 e v 时，本征吸收长波限已经基本达到红外区。同时 禁带宽度越小本征吸收的长波限也越大。 我们希望得到的s i c g e 合金是小的晶格常数和小的禁带宽度。从图 2 2 中，可以清楚看到随着g e 的含量增加禁带宽度明显减小，但是晶格 第二章s i c g e 材料特性的理论分析 常数却增大。所以，考虑到晶格失配和禁带宽度的问题，我们选择g e 的 含量在2 0 3 0 之间，这样晶格失配和品格常数都在可以接受的范围内。 圈2 - 2 晶格常数和禁带宽度随g e 含量的变化示意图 2 2s i c g e 吸收系数的估算 s i 、c 和g e 都是i v 族元素，由它们组成的各种半导体材料均为间 接禁带半导体材料。间接跃迁的吸收过程，一方面依赖于电子和与光子 的相互作用，另一方面还依赖于电子与晶格的相互作用，故在理论上是 一种二级微扰。发生这样的过程，其几率要比只取决于电子与光子相互 作用的直接跃迁的几率小得多。因此，间接跃迁的光吸收系数比直接跃 迁的吸收系数小得多。 本文中对s i c g e 合金的吸收系数进行估算时，采用 m c f a r l a n e - r o b e n s 间接禁带的吸收系数公式( 2 4 ) 、( 2 - 5 ) ”“： r 。加，：。l 吐；墨! + 鱼! 二墨 红兰| 胁，+ e 。2 4 l 唧t 等川州一苦，l 6 西安理工大学硕士学位论文 。c j ，1 = 坚! 二墨g 墨 e ；一e ，c 胁。+ ， 2 5 “州知川 公式( 2 4 ) 、( 2 - 5 ) 中h v 足光子的能量，堙是禁带宽度，昂是声子能量，一 是常数。当艮、昂和爿给定以后，吸收系数q 仅仅与h v 有关。声子的能 量一般很小仅有百分之几电子伏特。 我们根据前人测定3 c s i c 和g e 的吸收系数7 ，代入( 2 4 ) 、( 2 5 ) 中可以拟合出a s , c = 3 8 9 1 0 3 ，a g e 一3 2 2 0 7 1 0 3 ，e p , c = 1 5 2 1 0 - z e v ，e p = 13 7 1 0 - 2 e v 。从图2 - 3 中，我们可以看到s i c 和g e 吸收系数的变化趋 势非常相似。当h v 艮以后，吸收系数急剧增加，然后吸收系数证逐渐 达到饱和。随着h v 的增大，s i c 的吸收系数和g e 的吸收系数差距变小。 可以预见s i c g e 合金的吸收系数曲线应该介于s i c 和g e 的吸收系数曲 线之间。在确定s i c g e 合金的禁带宽度后，不断地调整常数a 和声子的 圈2 - 3s i c 和g e 的吸收系敦曲线 能量e ，的值，我们最终可以找到一组合适值，画出符合理论分析的吸收 第二章s i c g e 材料特性的理论分析 系数曲线。如图2 - 4 ，为s i c o8 g e o2 的吸收系数曲线，在这个组份下， a = 3 6 1 0 3 ，e p = 1 4 1 0 e v 。 8 言 己 誊 g 写 8 1 荟 虽 图2 - 4s i c g e o2 的吸收系数曲线 圈2 - 5s i c - g e 的吸收系数曲线 西安理工大学硕士学位论文 s i c 和g e 的声子能量相差很小，我们可以估计到s i c g e 合金的声子 能量应该在两者之阳j 。通过计算可以发现声子能量变化在1 1 0 一e v 时， 对吸收系数影响不大。在对s i c l x g e 。不同x 取值的计算中，可以忽略昂 对吸收系数的影响，这里取e p = 1 4 1 0 e v 。通过以上方法，我们可以确 定s i c o9 g e o l 、s i c o8 g e o2 、s i c o7 g e o3 和s i c o6 g e o4 的吸收系数，如图2 5 所示。其变化规律与s i c 和g e 的吸收系数变化规律相似。 从图2 5 中，我们看到s i c o8 g e o2 的吸收边在红外区和可见区的交界 处，其对可见光强烈的吸收，s i c o7 g e o3 的吸收边已经在红外区， s i c o6 g e 对红外光有比较强的吸收。考虑到晶格失配的问题，s i c o6 g e o4 与3 c s i c 有较大的晶格失配，理论上难以形成稳定的异质结。所以，在 本文的下一章中，采用s i c o7 g e o3 3 c s i c 和s i c o8 g e o2 3 c s i c 异质结作 为计算机模拟的对象。 第三章s i c g e s i c 光电二极管光电特性的计算机模拟 第三章s i g e c s i c 光电二极管光电特性 的计算机模拟 3 1m e d i c i 程序简介 3 1 1m e d i c i 的功能简介d g l m e d i c i 是a v a n t ! 公司推出一个用来进行二维的器件模拟的软 件，它对势能场和载流子的二维分布建模，通过解泊松方程和电子、空 穴的电流连续性等方程来获取特定偏置下的电学特性。用该软件可以对 双极型的半导体器件进行模拟，同时也能分析单载流子起主要作用的器 件，例如：m o s f e t ，j f e t ，m e s f e t 。另外，m e d i c i 还可以被用来 分析器件在瞬态情况下的变化。在亚微米器件模拟中，m e d i c i 通过联 解电子和空穴的能量平衡和其他的器件方程，可以对深亚微米的器件进 行模拟。像热载流子和速度过冲等效应在m e d i c i 中都已经考虑了，并 能够对他们的影响进行分析。 3 1 2m e d i c i 的主要语句 m e d i c i 程序提供的语句比较多，也比较复杂。语句分为d e v i c e s t r u c t u r es p e c i f i c a t i o n 、s o l u t i o ns p e c i f i c a t i o n 、i n p u t o u t p u t 和c o e f f i c i e n t a n dm a t e r i a lp a r a m e t e r 四部分，下面对s i c 器件模拟中，需要使用的语句 简要介绍一下。 1 描述器件结构的语句( d e v i c es t r u c t u r es p e c i f i c a t i o n ) 器件结构定义语句包括：m e s h 、x m e s h 、y m e s h 、e l l m i n a 1 1 e 、 s p r e a d 、r e g i o n 、e l e c t r o d e 、p r o f i l e 和r e g r i d 。 m e s h ：初始化网格生成 x ，m e s h ：x 方向上的网格线的位置 y m e s h ：y 方向上的网格线的位置 e l i m i n a t e ：沿着网格线缩减节点 s p r e a d ：沿着水平网格线调整节点的垂直位置 西安理工大学硕士学位论文 r e g i o n ：在矩形网格中定义材料的种类 e l 。e c t r o d e ：在器件结构中定义电极的位置 p r o f i l e ：掺杂浓度的定义 r e g r i d ：对前面粗糙网格进行一步细化 2 求解方程的语上j ( s o l u t i o ns p e c i f i c a t i o n ) 求解方程的语句包括：m o d e l s 、p h o t o g e n 、s y m b o l i c 、 m e t h o d 和s o l v e 。 m o d e l s ：描述模拟过程中的物理模型 p h o t o g e n ：定义光生载流子 s y m b o l i c ：可用来选择模拟时用的求解方法 m e t h o d ：用来对特定的求解方法选择特殊的技巧 s o l v e ：用来选择偏置条件和分析类型同时可以被用于稳态，瞬态 和交流小信号 3 输入和输出的语句( i n p u t o u t p u t ) 输入和输出的语句包括：e x t r a c t 、p l o r 1 d 、p l o t 2 d 、 c o n t o u r 、v e c t o r 、f i l l 、l a b l e 、l o g 、l o a d 和s a v e 。 e x t r a c t ：从计算结果中提取数据 p l o t i d ：根据需要画出一维的图形 p l o t 2 d ：初始化的二维图形，它可以画出器件的结构、边界条件、 耗尽层等 c o n t o u r ：在二维图形中画出各种物理特性的轮廓线，紧跟在 p l o t 2 d 后面使用 v e c t o r ：画出矢量特性，在p l o t 2 d 前面使用 f i l l ：在器件中不同的材料区填充颜色 i , a b l e ：在一维或二维图形上写上特定字符 l o g ：为以后调用方便，将i v 或a c 的数据存在一个文件中 l o a d ：为了加快计算过程或寻找模拟的初始值从文件以前的中读取 第三章s i c g e s i c 光电二极管光电特性的计算机模拟 计算结果 s a v e ：将结果存到一个文件中 4 描述材料参数及其它系数的语句( c o e f f i c i e n ta n dm a t e r i a lp a r a m e t e r ) 描述材料参数及其它系数的语句包括：m a t e r i a l 、m o b i l i t y 、 c o n t a c t 、i n t e r f a c e 和a n i s o t r o p l c 。 m a t e r i a l ：描述与材料有关的物理特性 m o b i l i t y ：描述和各种各样的迁移率模型相关的参数 c o n t a c t ：被用来说明电极边上的特殊边界条件 i n t e r f a c e ：描述在界面的参数，例如：复合速率、固定电荷和陷 阱电荷 a n i s o t r o p i c ：用来描述各种材料及各种物理模型的各向异性 下面介绍m e d i c i 中的几个关键的语句：m o d e l s 、p h o t o g e n 、 m a t e r i a l 。 通过m o d e l s 我们可以设定各种物理模拟。载流子的产生模型有 i n c o m p l e ( 杂质不完全电离) 、i m p a c t i ( 碰撞电离模型) 、l i t e m p ( 当考 虑碰撞电离模型时，载流子温度模型) 、b t b t ( 隧穿模型) ：迁移率模型有 c o n m o b 、a n a l y t i c 、r t u n n e l 、a u g e r 、p h u m o b 、l s m m o b 、 s r f m o b 、s r f m o b 2 、u n i m o b 、p r m o b 、g m c m o b 、t f l d m o b 、 h p m o b ，f l d m o b 、t m p m o b 、n d m o b 、c ，n d j m o b 、e e f f e c t e 和j m o b i l 。这些迁移率模型可以如表3 1 分类：统计模拟有 b o l t z m a n ( 玻耳兹曼统计) 、f e r m i d i r ( 费米统计) 。物理模型的选择对 最后的模拟结果的准确性非常重要。 p h o t o g e n 是规定光生载流子的语句。在对s i c g e s i c 光电二极管 模拟过程中，使用p h o t o g e n 语句中的描述i n c i d e n tr a yq u a n t i t i e s 的 语句，我们可以规定入射光的强度、波长及光源的位置和入射光的宽度。 当使用“i n c i d e n t r a y q u a n t i t i e s ”时m e d i c i 自动启用o p t i c a l d e v i c e a a m 模块。 西安理工大学硕士学位论文 表3 1 迁移率模型分类表 l o wf i e l d ( 氐场模型)l y a n s v e r s ef i e l d ( 横向p a r a l l e df i e l d ( 平行电 电场模型)场模型) c c s m o bl p m o b l s m m o bf l d m o b g m c m o bt m p m o b a n a l y t i c p r p0 b a r o r as r f m o b c o n m o bs r f m o b 2 p h u m o b t f i 。d m o b u n i m o b m e d i c i 中另一个重要的语句就是m a t e r i a l 。在m a t e r i a l 语句 中给出主要半导体材料的材料参数，同时我们也可以定义新的半导体材 料。在模拟新材料器件过程中有重要的意义。 3 2s i c g e s i c 光电二极管的模拟 3 2 1p - n + s i c g e s i c 异质结的器件结构 p - n + s i c l x g e 。s i c 光电二级管结构如图3 一l 所示，3 c s i c 层是浓度 为4 1 0 1 8 c m 。的n 型重掺杂，其厚度为1p m 。s i c h g e 。层是浓度为 4 1 0 15 c m 。的p 型轻掺杂，其厚度为o 4 1 a m ，触发光从3 c - s i c 层下面入 射。考虑到x = o 2 0 _ 3 时，s i c h g e 。与3 c s i c 的晶格失配，很难在3 c - s i c 层上面生长很厚的s i c l 、g e 。层，所以，在设计s i c i 。g e 、s i c 光电二级管 时，我们将s i c l _ x g e 。层的厚度设计的很小。入射光从宽禁带的3 c s i c 下面入射，避免了s i c l x g e 。层的表面吸收。 在对p - n + s i c g e s i c 异质结光电二极管进行模拟的过程中，光强开 始恒定的设为0 2 3 w a t t s c m 2 。由于3 c s i c 层是重掺杂而s i c j 一。g e 。层是 轻掺杂，在s i c l 一、g e 、层会形成耗尽层。3 c s i c 的禁带宽度很大，如果入 第三章s i c g e s i c 光电二极管光电特性的计算机模拟 射光波的光子能量小于3 c s i c 的禁带宽度而大于s i c n g e 。的禁带宽度， 则该光波就透过3 c s i c 层，被s i c l 。g e 。层的耗尽层吸收且产生大量的 光生载流子，在耗尽层电场的作用下空穴在上表面聚集、电子在下表面 聚集。此时，在反向偏压的作用下，就可以形成光电流。 p - s i c l x g e x n + - 3 c s i c 圈3 - 1p - a + s i c i - i g e 。s i c 光电二级管结构图 3 2 2p - n + s i c g e s i c 异质结光电二极管的模拟 1 网格的划分 图3 2 是m e d i c i 程序生成结构图。在x 轴方向的宽度为3 岬，格点 的间隔为0 1p , m 。在y 轴方向的厚度1 4p , m ，其中0 - 0 4 岬格点的间隔从 0 1l a m 变化到o 0 5p mo 4 , - - 1 4p m 格点的间隔从0 0 5 “m 变化到0 1 岬。 这样划分网格目的是使s i c g e 材料和s i c 材料的交界处网格划分的较密 一些。在产生网格m e s h 语句后面，使用r e g r i d 语句会在异质结处对 网格进一步细化。 不适当的m e d i c i 网格会导致计算结果与实际偏差较大，严重时会使 程序不收敛。划分好的网格中要尽量减少钝角三角形，而且网格不能过于 稀松。过于密集的网格会增加运算量，浪费运算时间，但对计算结果影响 不大。所以，划分网格是m e d i c i 程序编写非常重要的一步。 西安理工大学硕士学位论文 圈3 - 2p - n + s i c i 。g e , s i c 光电二级管的m e d i c i 舟格图 2 光生载流子的分布 光生载流子是指半导体材料在光照的条件产生的电子一空穴对。在对 半导体材料的光吸收的研究中最重要的是本征吸收。本征吸收定义为：价 带中的电子吸收足够能量的光子，越过禁带跃迁到导带中，这样在价带中 留下一个空穴，形成电子空穴对。将这种由于电子在带与带之间的跃迁所 形成的吸收过程称为本征吸收。发生本征吸收，光子的能量必须等于或大 于禁带宽度。 实验证明，当光子能量小于禁带宽度时，光波在半导体中也往往能够 吸收i z uj 。这说明，除了本征吸收外，还存在着其它的光吸收过程。主要有 激子吸收、杂质吸收和自由载流子吸收等。如果光子能量小于禁带宽度， 这时价带电子受激后虽然离开了价带，但还不足以进入导带而成为自由电 子，仍然受到空穴的库仑场作用。实际上，受激的电子和空穴相互束缚而 结合成一个新的系统，这种系统称为激子，这样光吸收称为激子吸收( 激子 吸收并不伴有光电导现象) 。当入射光子的能量不够高，不足以引起本征吸 收或激子吸收时，仍然存在着吸收，而且其强度随着波长的增大而增加， 这是自由载流予在同一带内的跃迁所引起的，称为自由载流子吸收。束缚 第三章s i c g e s i c 光电二极管光电特性的计算机模拟 在杂质能级上的电子或空穴也可以引起光的吸收。电子可以吸收光予跃迁 到导带；空穴也同样可以吸收光子跃迁到价带( 或者说电子离开价带填补了 束缚在杂质能级上的空穴) 。这种光吸收称为杂质吸收。 在本文中，我们设计器件时，将s i c g e 的耗尽区作为吸收层，在这种 情况下起光电导作用的主要是本征吸收，所以，在模拟过程中主要考虑本 征吸收。 图3 - 3 是当入射光波长姑0 4 r x n a 时，p - n + s i c 0 s g e 0 2 s i c 的光生载流子 分布图。图3 - 3 中的x 轴( d i s t a n c e ) 代表m e d i c i 网格中的纵向坐标，即y 方向。y 轴( p h o t o g e n e r a t i o n ) 代表每立方厘米的光生载流子( 电子一空穴对) 的个数。从图3 - 3 中，可以发现当x 0 4 时，y ( p h o t o g e n e r a t i o n ) 突然变得很 d l l o h l n o 图3 - 3p - n + s i c o 。g e 0 2 s i c 光电二缓管的光生载流子分布圈( x = o 4 p m ) 小，说明3 c s i c 层对波长九= 0 4 1 a m 的光波吸收很小，光波主要是s i c g e 层 吸收。而波长a - - - 0 4 帅的光波还是比较短，此时的吸收系数较大，吸收长 度小，所以，我们看到x 轴( d i s t a n c e ) 从0 4 “r n 到o w n ，光生载流子有明显 的减少。 西安理工大学硕士学位论文 口1el o ( h l c ) 圈3 - 4p - n + s i c t 自g e 雌s i c 光电二缀管的光生载流子分布图( 九= o 5 1 t i n ) 图3 - 4 是当入射光波长l = 0 5 i u - n 时，p - n + s i c o8 g e o2 s i c 的光生载流子 分布图。与图3 3 相比此时的光生载流子个数在s i c g e 材料中最大值点有 所下降，但从0 4 u m 到0 p _ m 分布更加均匀，大约平均为5 5 1 0 ”c m 。 图3 5 是当入射光波长l = 0 6 u m 时，p - n + s i c o8 g e o2 s i c 的光生载流子 分布图。图3 5 与图3 - 4 比较相似，在s i c g e 层中分布都很均匀，但光生 载流子个数减小到2 1 1