MSM电极的工作原理详解

要制备紫外光电探测器，可采用多种结构。过去人们常采用pn结、pin结、肖特基势垒等结构，随着信息处理技术的快速发展，要求光电探测器的响应时间更快、灵敏度更高、噪声更低。1971年，S.M.Sze等发表了题为《MSM结构中的电流传输》文章，提出了一种新型的在一块半导体表面分别形成金属−半导体−金属（即MSM）结构的器件。1985年，德国半导体电子研究所率先发明了横向结构叉指电极的肖特基光敏二极管（MSM-PD），并改善了传统光敏二极管的性能。这种结构是用平面线型叉指电极和半导体材料形成“背靠背”的双肖特基势垒，器件的等效结构和电场分布如图1−1所示。当加上直流偏置电压时，一个势垒正向偏置，另一个势垒反向偏置，因此暗电流极小。在这种结构中，肖特基势垒对光生载流子的收集不仅具有传统结型器件中的纵向收集作用，还具有平行表面的横向收集作用，特别对于产生在器件表面层的光生载流子的收集，其效果更加明显。加之金属表面之间的有源区表面没有金属覆盖，从而消除了表面的金属膜的光吸收，因此也大大提高了探测器的响应度。此处，MSM结构的紫外光电探测器不需要制备p型材料，平面结构、工艺相对简单并易于单片光电集成等方面的优势，现在已经得到了相对广泛的应用^[1]。

图1-1 一维器件的等效结构和器件的电场分布

下面用一维模型定性说明其工作原理。图1−2a所示为未加电压时MSM一维器件的结构图，图1−2b所示为器件的能带图。

假定为一均匀掺杂的半导体，在两面各形成金属−半导体接触，电极间距为L。图1−2所示为外加偏压为零时的平衡能带图。其中，φ_n1、φ_n2分别为左（电极1）、右（电极2）两面金属和半导体接触所形成的肖特基势垒高度。而V_D1，V_D2分别为其内建电势。对于同种金属，存在φ_n1=φ_n2、V_D1=V_D2。φ_n表示空穴的势垒高度。当外加电压时（如右方为正，左方为负），在这一对背对背的二极管中，结1反向偏置，结2正向偏置，其耗尽层宽度分别W₁和W₂。随着外加电压的增大，反向偏置的耗尽层宽度W₁增大，而正向偏置的耗尽层宽度W₂减小。但是其总的耗尽宽度逐渐增加。这时的电场和能带图分别如图1−3a和b所示。

图1-2 未加电压时MSM光电探测器的一维器件结构和能带图

图1-3 在未达到穿通电压前器件的电场和能带图

下面给出此时器件的电子电流与电压之间的关系式：

式中，V₁+V₂=V；q为电子电荷；；N_D为器件有源层的掺杂浓度。这时外加电压大部分降落在反偏置结1的耗尽区内。随着电压的增加，当两耗尽层相接触时，即W₁+W₂ =L时，相应的这一电压称为穿通电压（V_RT）。可以得出此时的W₁、W₂和V_RT为

式中，V_FB为平带电压，是当W₂=0时的外加电压。这时电场和能带图分别如图1−4 a和b所示。

在X₀点电场为0，其左方电场为负方向，右方电场为正方向，这时仅有很小的电流。当电压继续增加时，使正电极一边X=L处的能带为平带，电场为0。整个器件内全部耗尽，而且电场指向同一个方向，即从右向左。这时相应的电压称为“平带电压（V_FB）”，其电场分布及能带图如图1−5a和b所示。(www.xing528.com)

图1-4 在“穿通电压（V_RT）”下的电场和能带图

图1-5 在“平带电压（V_FB）”下的电场和能带图

在平带电压下，W₁=0，W₂=L，从而有

此时电子电流仍很小。但是由于空穴势垒下降，从正向偏置处开始有空穴注入。当电压超过V_FB时，能带进一步变陡，内部电场增加，直到反偏置电极1处电场最大点发生雪崩击穿，使电流激增。此时结1处达到的最大电场即为击穿电场E_B。击穿电压为

V_B²=E_BL-V_FB （1−6）

在实际应用中，击穿电压的半经验公式由下式给出：

图1−6a和b绘出了这一情况下的电场分布和能带图。通常器件一般工作在平带电压V_FB和击穿电压V_B之间。

图1-6 在击穿电压（V_B）条件下的电场和能带图

考虑到我们所做的器件均为同种金属的对称MSM结构，所以将以上各式出现的N_D视为同一数值，并计算出结果。