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施加栅极电压和本征长度变化的薄膜门控SOI横向PIN光电探测器的操作
摘要：本文介绍了薄膜门控SOI横向PIN光电探测器的工作原理，并通过二维阿特拉斯模拟提出并验证了耗尽电压的分析模型。通过施加栅极电压实现内部区域的完全耗尽（FD）条件，本征长度（Li）对光电流和暗电流特性、灵敏度和速度的变化被解决。Li在1和10micro;m之间，模拟结果预测在400nm波长下,内部量子效率（QI）超过95％，甚至接近100％。此外，QI可以为长沟道赚取87％以上的收益。在FD条件下，当VK=1.0V(2.0V),对于 Li= 1micro;m,总-3dB频率值可以实现16GHz（19 GHz）；Li=2micro;m，总-3dB频率值可以实现4.1GHz（6.2GHz）。而对于在0.18micro;mSOI CMOS技术中实现的所有检测器，可以获得大于的照明和暗电流之间的高比率。
关键词：横向PIN光电探测器，SOI,本征长度,完全耗尽,栅极电压
1介绍
目前，短距离光通信[1]和光存储系统[2,3]通常使用接近蓝色和紫外线的短波长（即lambda;lt;480nm）的光电检测，并且在生物医学和环境应用中也有许多应用[4,5]。越来越需要快速高效的具有高灵敏度、响应度、速度性能和低暗电流的光电检测器。如预期的那样，由于具有特定的绝缘体上硅（SOI）结构，薄膜SOI集成检测器是应对这些规格的极好候选者。参考文献[6]中SOI结构制造的横向PIN（LPIN）光电二极管可以实现高响应性，并且结合高速、低暗电流、低电容（比目前在蓝光DVD中使用的光电二极管相同区域的散装手指光电二极管低100倍）、高灵敏度低波长的所有优点[7]。
在文献中，由于夹在高P和N掺杂区域之间的低掺杂区域，PIN二极管中的光检测通常考虑到具有扩展耗尽区的PN结而被建模。然而，在典型SOI CMOS工艺的低电压操作和器件参数下，本征区域（I区）对应于约1015cm-3的P掺杂[6]，实际上并不完全耗尽。必须考虑其他现象，如体积和表面重组，这限制了设备的终极表现。
为了解决这个问题，首先在参考文献[8-10]中提出并分析了新型薄膜门控SOI LPIN光电探测器。基于标准SOI技术和CMOS工艺，光电检测器结构类似于LPIN光电二极管，但只有ITO作为透明栅电极沉积在顶部。假设施加到栅极的电压改变了I区域的耗尽条件，并使该区域完全耗尽，实现低重组和有效收集光生载流子。
在给定的技术中，薄膜门控SOI LPIN光电探测器的主要设计参数是本征长度。它极大地影响了检测器的电流特性、灵敏度和速度性能。在这里，本文分析了检测器的工作原理，介绍了通过二维（2D）Atlas数值测量验证的I区域中栅极耗尽电压的物理模型。为了指出器件的性能，改变栅极电压进行电气模拟。并且本征长度改变目的是研究和预测该光电检测器用于检测短波长的性能。
2模型分析
2.1器件描述
在我们的模型中，我们考虑了在0.18SOI CMOS技术中实现的薄膜门控SOI LPIN光电探测器[11]，其器件参数如图1所示。、、分别是薄硅膜、顶部氧化物和掩埋氧化物厚度，等于800、30和400nm。，触点和区域的长度等于1。因此，和掺杂均为约。通常对应于约的P掺杂的I区的长度从1到30变化，具有七个不同的值： = 1,2,4,6，10，20，30。
图1 正在研究的薄膜门控SOI LPIN光电探测器的示意性截面图
一般光电探测器的操作基本上包括三个过程：载波生成，载波传输和信号输出。一旦入射光落在器件表面上，I区（即通道）中的光吸收就产生电子-空穴对。当I区域不完全耗尽时，扩散和漂移在整个区域共存。只有在耗尽部分产生的或在未剥离部分的一个扩散长度内产生的电子-空穴对最终将被横向电场分离，导致外部信号。然而，在完全耗尽（FD）条件下，光生载流子必须通过存在于耗尽区中的电场的作用快速分离，其大致对应于本征长度（Li），实现低载流子重组和完全收集所产生的载体，扩散项可以完全忽略不计。因此，I区域的耗尽状态明显影响载流子传输过程、输出电流、内部量子效率和光电检测器的速度性能。
2.2消耗电压
利用ITO作为透明栅电极沉积在顶部，可以通过前栅极电压和反向阴极偏压来形成耗尽区。在这里，为了进一步了解检测器的外部和宏观性能，我们主要分析施加到栅极的耗尽电压，并假定为短沟道和长沟道器件的I区完全耗尽。
在反向阴极偏压VK和不施加栅极电压VG的情况下，耗尽区的长度是
(1)
其中V0是内置接触电位，和分别是I区和N 区的掺杂电平。对于长沟道，由反向偏压VK引起的耗尽区长度LZd与本征长度Li相比可以完全可忽略。因此，耗尽区主要由电极G和电极K之间的栅极电压VG形成。
使用基尔霍夫电压定律，可以获得耗散电压VG的表达式，并在参考文献[11]中简化如下：
（2）
其中VFB是平带电压，是表面电位，可由下式给出
（3）
的表达式是
（4）
其中COX是每单位面积的顶部氧化物电容。
对于短信道检测器，和区域的影响变得更加有效，因为它们彼此更接近，类似于MOS晶体管中的短沟道效应[5]。 由VK引起的耗尽区长度LZd可以与Li相当。
在这种情况下，可以获得施加以实现I区域的FD条件的栅极电压[12]：
（5）
其中W是设备宽度。考虑到短沟道效应，估计总体积耗尽量：
（6）
其中L是应用VK的未剥离部分的长度，可以由下式计算：
（7）
注意，栅极的耗尽电压因此变成短沟道中本征长度Li和反向阴极偏压VK的函数。
2.3载流子分布
没有照明情况下，在Atlas软件中进行2D数值模拟[13]。从硅片中间沿x方向的切割线获取数据，详细介绍载流子体积分布，然后分析其外部电压依赖性，验证上述物理模型。
对于长沟道在Atlas中执行的Li=20薄膜门控SOI LPIN光电探测器的模拟，图2显示出了在（a）热平衡和（b）反向阴极偏压（VK=1.0V）下的平衡和（c）正栅极电压（VG=0.6V）下的平衡的电荷分布的比较。由内在电位引起的耗尽区长度与图2a中的本征长度相比可以完全忽略不计。并且在整个I区域识别的VK= 1.0V下也没有明显的差异。否则，如图2c所示，上面施加的栅极电压（VG= 0.6V）通过I区域实现FD状态。具有绝对明显的栅极效应，耗尽条件几乎完全由栅极电压控制，具有阴极偏置的细微的甚至可忽略的影响，这与上述长沟道的耗尽电压模型完全一致。
相比之下，我们分析了短沟道的 Li= 2的电荷分布，结果如图3所示。 当Li减小时，短沟道效应变得明显。如图3a所示，I区的大部分已经耗尽，因为耗尽区在热平衡条件下在较少的掺杂区域（即I区）上延伸。基于零偏置耗尽条件，I区域可以容易地实现FD条件，当VK= 1.0V（图3b）或 VG= 0.6V（图3c）。结果表明，短沟道的耗尽条件由前栅极电压和反向阴极偏压两者改变，并且与长沟道相比，VG的影响变得不那么明显。
图2 Li= 20在中间硅膜沿x方向光电探测器的载体分布（a）零偏热平衡（b）反向阴极偏置下的平衡条件（VK= 1.0 V）（c）正栅极电压（VG= 0.6 V）下的平衡条件。
图3 Li= 2在中间硅膜沿x方向光电探测器的载体分布（a）零偏热平衡（b）反向阴极偏置下的平衡条件（VK= 1.0 V）（c）正栅极电压（VG= 0.6 V）下的平衡条件。
3模型结果
3.1光电流
由于入射到光电探测器表面的光子的稳定流动，我们假设在耗尽区内的量子效率是一致的，沿Y方向的电子空穴产生速率是[12]
（8）
其中是光吸收系数，是每单位面积的入射光子通量，由下式给出
（9）
其中Popt是入射光功率，是入射波长，R是反射系数，A是器件面积。
然后可以通过以下方式获得单色光源的可用光电流
（10）
利用均匀入射光功率Popt= 5，波长lambda;= 400nm，在Atlas中进行2D电模拟并且不包括抗反射涂层（ARC）。在反向偏压VK= 1.0V，对于Li =
1,2,4,6,10,20,30，通过将光电流除以本征长度（Li），作为施加的栅极电压（VG）的函数的归一化光电流呈现在图4中。
图4 在VK= 1.0V,Popt= 5，lambda;= 400nm时，对于不同的本征长度Li = 1,2,4,6,10,20,30，作为施加的栅极电压（VG）的函数的归一化光电流
可以清楚地看到，短沟道的输出光电流仅随着VG而略微增加，并且容易达到可用的光电流。由于I区域在 VG= 1.0 V下几乎达到FD条件，并且由于FD条件下的高电场和速度饱和，载流子复合可以完全可忽略。
当Li增加超过6时，如图4所示，VG= 0 V时的归一化光电流会降低。 随着栅极电压（VG）增加以在I区域中实现FD状态，光电流增加。否则，随着用于长沟道的低场迁移率，载流子在正面和反向氧化物界面s0和sdSi处具有一定的表面复合速度漂移在I区域上，其通常是SOI中的主要重组机制[ 7]。 该器件呈现出最大光电流的增加的减小和Li的最终输出的减小。
在= 2.0 V下重复电气仿真，可以识别短沟道光电流特性没有差异，并且由于增强的漂移速度和减少的重组，长沟道的输出电流略有增加。
3.2灵敏度
窗体顶端
灵敏度的一个因素是量子效率（QE），它是内部量子效率（QI）乘以吸收功率与总入射光功率的比值的结果：
（11）
窗体底端
这里的比率（）强烈地取决于和 ，代表QE能达到的最大值。
窗体顶端
对于= 400nm，大于1 /，所有在薄硅膜中透射的光在到达掩埋氧化层之前几乎被吸收，并且SOI光电探测器中不需要考虑谐振腔效应（RCE）[14,15 ]。 在这种情况下，由于在器件表面的反射造成的损失占主导地位，我们得到
（12）
窗体底端
这里，QI被定义为阴极光电流与可用光电流的比率。基于薄膜门控SOI LPIN光电探测器获得的光电流，我们对施加栅极电压的给定波长进行各种本征长度的QI测量，以使I-区域完全耗尽。演变如图5所示。对于短沟道，=400nm时，QI可能导致超过95％甚至接近100
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