InGaZnO-Si異質(zhì)結(jié)光電二極管制備、建模及應用.pdf

1、在現(xiàn)今的圖像傳感器發(fā)展中，CMOS圖像傳感器在移動平臺、低功耗應用中逐漸取代CCD圖像傳感器的市場份額而成為主流。由于氧化物半導體/Si異質(zhì)結(jié)等Si基異質(zhì)結(jié)光電二極管具有制備方法靈活、光電性能優(yōu)秀、均一性好、可組成復雜結(jié)構(gòu)、與CMOS工藝兼容等特點，在CMOS圖像傳感器未來的發(fā)展中將具有重要意義。本文通過常溫磁控濺射在Si襯底上生長InGaZnO薄膜，制備得到了同時具有高量子效率和低反偏暗電流密度的IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管。由于I

2、GZO/Si繼承了大多數(shù)透明氧化物半導體/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管的非線性光電響應特性，本文基于實驗數(shù)據(jù)建立了適用于IGZO/Si等透明氧化物/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管的光電流電壓以及光電容電壓模型，并對透明氧化物/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管的非線性光電響應特性進行了詳細的分析并對其原理進行了解釋。最后，通過模擬仿真的方法討論了IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管獨特光電特性對其在有源像素傳感器中應用的影響。
　　在不同溫度和氣氛環(huán)境中，在Si襯底以

3、及具有SiO2緩沖層的Si襯底上，磁控濺射生長均勻IGZO薄膜以及InSnO(ITO)頂電極，得到了IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管。對IGZO薄膜的表征得知，IGZO薄膜為禁帶寬度大于3.7eV、具有高摻雜濃度、高電子遷移率以及低電阻率、厚度為120nm的對可見光透明的非晶態(tài)IGZO半導體。在636nm單色激光照射下，25℃、200℃以及400℃制備得到的IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管均表現(xiàn)出良好量子效率。通過降低IGZO薄膜生長溫度、

4、使用氬氧混合氣作為濺射氣體以及引入SiO2緩沖層，可以將IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管的反向暗電流有效降低至(1～100)μAcm-2。室溫下制備的IGZO薄膜具有良好光學和電學特性，從而IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管同時具有高量子效率和低反偏暗電流密度，并且可以通過調(diào)整工藝參數(shù)進行調(diào)節(jié)。由于使用外延工藝在Si襯底上制備，所以本文提出的IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管非常適合在CMOS圖像傳感器中的應用。
　　在對IGZO/Si異質(zhì)

5、結(jié)光電二極管進行光電特性測量的過程中發(fā)現(xiàn)，IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管繼承了透明氧化物/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管在低反偏電壓下的非線性光電響應特性。IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管光電流密度在非線性光電響應區(qū)中隨著反偏電壓的增加而增加，并在特定反偏電壓下飽和進入線性光電響應區(qū)。在非線性光電響應區(qū)，光電流密度隨著入射光光強增強而增加，但是量子效率隨之減小。從IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管的暗電流電壓特性出發(fā)，結(jié)合發(fā)射-隧穿-復合模型測量，計算

6、和分析了IGZO/Si中間層界面態(tài)對暗電流電壓特性的影響，得到了IGZO/Si中間層界面態(tài)密度與電子-空穴產(chǎn)生復合率的關系。分析結(jié)果表明，中間層界面態(tài)的存在明顯的改變了IGZO/Si空間電荷區(qū)電壓分配關系以及電子能帶空間分布，從而對暗電流電壓特性產(chǎn)生明顯的影響。根據(jù)暗電流電壓特性分析中求解得到的中間層特性參數(shù)，通過求解泊松方程、電流連續(xù)性方程和電子發(fā)射-隧穿勢壘方程，得到了IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管的光電流電壓特性以及光電容電壓特性

7、模型。將此模型計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果表明此模型可以很好的擬合IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管光電特性。具有低界面態(tài)電子遷移率、高界面態(tài)密度的中間層和IGZO一側(cè)空間電荷區(qū)勢壘阻擋光生電子通過IGZO/Si界面并在中間層形成光生電子堆積，從而增加光生電子在Si空間電荷區(qū)以及中間層的復合電流。光生電子的堆積進一步降低了Si空間電荷區(qū)分壓，使得Si空間電荷區(qū)復合電流在更高的反偏電壓時開始下降，從而提高了光電流飽和電壓閾值。根據(jù)本文

8、提出的模型對中間層界面態(tài)密度、中間層界面態(tài)遷移率、中間層固定電荷密度、Si襯底和透明氧化物薄膜的摻雜濃度、中間層電子復合截面、透明氧化物薄膜電子親和能對光電特性的影響進行了詳細的分析。結(jié)果表明通過改變以上參數(shù)，可有效調(diào)節(jié)透明氧化物/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管的非線性光電響應特性以及電容電壓特性。
　　將IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管應用到有源像素傳感器中，對其動態(tài)范圍、有效工作電壓范圍、信號噪聲等性能進行綜合分析。與應用傳統(tǒng)Si光電二極

9、管的有源像素傳感器相比，由于IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管在高、低反偏電壓情況下分別具有線性光電響應和非線性光電響應特性，使得IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管構(gòu)成的有源像素傳感器具有高動態(tài)范圍、低信號噪聲、低等效入射光噪聲的優(yōu)良特性。對不同制備條件制備得到的IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管在有源像素傳感器中的應用進行研究。在常溫下制備的IGZO/Si異質(zhì)結(jié)光電二極管，在較強和較弱入射光密度情況下分別具有適宜的光電轉(zhuǎn)換增益，并且在較低電壓下工