低功耗圆柱环绕栅MOSFET高灵敏度光电传感器的设计与分析

工程科学与技术，国际期刊19（2016）1864完整文章低功耗圆柱环绕栅MOSFET高灵敏度光电传感器的设计与分析Aakash Jain，Sanjeev KumarSharma，Balwinder RajVLSI设计实验室，ECE部门，NIT Jalandhar，Punjab 144011，印度阿提奇莱因福奥文章历史记录：2016年5月19日收到2016年8月17日修订2016年8月18日接受2016年9月3日在线发布保留字：ATLAS-3D暗电流CSGMOSFET光电传感器量子效率响应度A B S T R A C T本文提出了一种高灵敏度的光电传感器，它利用氧化锌（金属氧化锌）作为一个透明的光学窗口通道。采用圆柱形环绕栅金属氧化物半导体场效应晶体管（CSG MOSFET）实现了高灵敏度。在暴露于光时，电导显著增加，从而利用暴露下的亚阈值电流的变化作为灵敏度参数。大多数现有的基于FET的常规光电传感器利用阈值电压作为灵敏度比较的参数，但在该提议的传感器中，在照明下导致亚阈值电流变化的电导变化被认为是灵敏度参数。与双栅金属氧化物半导体场效应晶体管（DGMOSFET）在灵敏度、阈值电压和Ion/Ioff比等方面进行了性能比较，结果表明，CSG MOSFET由于栅过沟道的有效控制，可以实现低暗电流、高灵敏度、低阈值电压和高Ion/Ioff比，是一种理想的高灵敏度光电传感进一步研究了沟道半径对器件响应度（Re）、量子效率（Qe）和Ion/Ioff比的影响。©2016 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍如今，低功率和高灵敏度的光传感器的需求正以惊人的速度增长，用于许多应用，例如火焰探测器、化学成分分析、导弹羽流预测、医疗诊断和治疗、监视摄像机等[1场效应晶体管（FET）与集成电路的兼容性有助于成功开发这些器件，使其用作光传感器。基于硅（Si）的光电探测器通常被用作大量这些应用的一部分，因为它们占据较小的体积，具有高信噪比，大量可用并且与微电子学相一致，它们被广泛用于国防和民用应用领域[9]。灵敏度是衡量光电传感器性能的重要参数之一目前，大部分的研究工作都集中在使用高光敏沟道材料[10]、透明栅材料[11]和背照明上*通讯作者。电子邮件地址：gmail.com（S.K. Sharma）。由Karabuk大学负责进行同行审查方法[12，13]来增强光响应，但在本文中，器件工程是利用来实现目标的，因为为了实现非常低的暗电流，器件工程起着至关重要的作用。为了进一步提高光谱的期望区域的灵敏度，利用ZnO作为栅极材料，其充当滤光器。ZnO是用于UV-可见光谱的透明栅极材料基于MOSFET以外的光电二极管，即雪崩光电二极管、PIN光电二极管、p-n结光电二极管等，具有其自身的局限性。p-n结光电二极管的低Qe[15]、雪崩光电二极管中的高噪声[16]以及由于PIN光电二极管中生成的光载流子的渡越时间而导致的[17]限制了它们作为高灵敏度光电传感器的使用，因此基于MOSFET的光电传感器可以有效地用于克服所有这些限制。基于MOSFET的光电传感器由于非常高的输入阻抗而消耗非常低的功率，它们还由于多数电荷载流子的参与而引入更少的噪声，并且还可以承受高温。与DG MOSFET相比，CSG MOSFET具有几个优点，包括栅极和沟道之间的静电耦合更好，因为栅电极完全包围沟道，因此关态漏电流逐渐减小，较高的Ion/Ioffhttp://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2016.08.0132215-0986/©2016 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchA. Jain等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）18641865222固定漏极电压和降低短沟道效应（SCE）的比率[18]。本文介绍了一种以ZnO为栅、SiO2为栅介质的CSG MOSFET利用器件工程和沟道材料工程的综合优势，实现了设计一种可有效用于紫外-可见光谱应用的光电传感器的目标。本文还从暗电流、阈值电压和I-on/I-off比等方面与DG MOSFET进行了性能比较，结果表明CSG MOSFET作为高灵敏度光电传感器性能优越。研究了沟道半径对器件响应度（R）、量子效率（Qe）和Ion/Ioff比的影响。2. 设备结构和模拟设置图1（a）示出了CSG MOSFET的2D截面图，图1（b）示出了入射辐射下的DG MOSFET的3D模拟结构。图1（c）示出了入射辐射下的CSG MOS-FET的3D模拟结构。R是沟道半径，L是沟道长度，LS是源极长度，LD是漏极长度，z是表1模拟过程中使用的参数。符号定义值L沟道长度1.0l m锡硅膜厚度0.5l mR通道半径（tsi = 2R）0.25l mLS源极长度0.5l mLD漏极长度0.5l mtox氧化物厚度10 nmNAND源/漏掺杂1× 1016 cm-31× 1020 cm-3模型解释了陷阱处复合现象的可能性。作为透明栅极材料的ZnO和作为栅极电介质的SiO2的厚度都保持得很小，使得落在栅极区域上的大部分光到达下面的硅（Si）沟道光从空气到下面的Si沟道的路径由于在三个界面处的反射而被阻挡，即空气到栅极（ZnO）、栅极到氧化物（SiO2）和氧化物到半导体（Si）。在这些界面处的反射有助于分析器件在入射辐射下的行为这三个界面的反射系数可以使用公式[20]计算：是沟道方向，而tox是氧化物厚度。nc-nc1为了在黑暗SILVACOATLAS-3D模拟器[19]用于模拟CSG MOSFET。的Rc¼þncc1kcð1Þ模拟过程中使用的参数如表1所示。 它还集成了先进的LUMINOUS-3D光学器件模拟器，以在入射辐射下提取器件特性，该模拟器使用光线跟踪方法计算定义网格点处的光生速率。利用LUMINOUS-3D模块中的BEAM关键字设置入射辐射的光学参数，如辐射强度、波长和位置。用于模拟CSG MOSFET的各种模型有：场相关迁移率模型（FDM）和肖克利-里德-霍尔模型（SRH）。FDM模型考虑了载流子迁移率对高电场和SRH其中R1、 R2和 R3是三个界面处的反射系数，即，分别是空气到栅极（ZnO）、栅极到氧化物（SiO2）和氧化物到n1、n2、n3和n4分别是空气、栅极、氧化物和半导体的折射率的实部，kc参考SOPRA数据库[21]以获得折射率的实际值和虚值，以便计算反射系数并用于模拟入射辐射下的CSG MOSFET表2示出了对于不同波长的入射辐射的ZnO、SiO2和Si的实部和虚部折射率值以及对于上述的计算的反射系数。（一）(b)（c）第（1）款图1.一、（a）CSG MOSFET的2D横截面（b）入射辐射下DG MOSFET的3D模拟结构（c）入射辐射下CSG MOSFET的3D模拟结构21866A. Jain等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）1864;表2ZnO、SiO2和Si的实折射率和虚折射率值以及三个界面在不同入射辐射波长下的相应反射系数[21]。k（nm）氧化锌（ZnO）二氧化硅（SiO2）硅（Si）4 ×10-18三个接口。它还示出了硅在不同波长下的吸收系数（a）的值被下面的Si沟道吸收的入射光的量（其导致电子-空穴对（EHP）的产生）主要取决于由吸收系数（α）表示的Si的吸收系数。Si的参数a对于不同的波长具有不同的值（k）的入射辐射，并通常随着更高的波长降低[22，23]。EHP的产生率取决于下面的Si沟道对入射辐射的吸收如上所述，产生速率取决于光敏材料的吸收系数，在我们的器件中，光敏材料是SiEHP的生成率由公式[24]给出。Gr¼a;d其中d是入射光谱光子通量密度，由[24]给出。H;dIock1-R11 -R21-R33其中Io是入射辐射的强度，c是光速，h是普朗克3. 模拟结果和讨论图2示出了DG MOSFET在黑暗下以及在入射辐射下的Id-Vgs特性，与[24]中报道的已经提出的器件进行了比较，并且还根据在过去的工作[25模拟的DG MOSFET的Id-Vgs特性与文献报道的器件相比，具有几乎相同的变化，因此，为了与CSG MOSFET相比较，该器件被进一步使用。图3给出了模拟DG MOSFET和CSG MOSFET在黑暗和入射辐射下的Id-Vgs特性从图中可以看出，与DG MOSFET相比，CSG MOSFET具有更低的暗电流和更高的照明电流，这是因为当沟道完全包围硅柱时，栅极和沟道之间有效的静电耦合。图4是示出根据本发明的实施例的变化的结果。在不同光强下CSG MOSFET的Id-Vgs特性。随着光强度增加，沟道的电导增加，这导致在入射辐射下可用的更高电流，并且照射电流的这种变化相对于光强度增加。与线性或饱和区相比，在亚阈值区对光的强度的影响更明显，因此所提出的器件在亚阈值区作为紫外-可见光传感器工作得更好。图5示出了Id-Vgs特性对入射辐射波长的依赖性。波长越高，被的照明电流和为信道半径R =0.25lm，在k= 450 nm时，Ion/Ioff比最大。 因此，所提出的装置可以在该光谱区域中用作高效低功率光电传感器。响应度和量子效率是光电传感器的非常重要的参数。这些参数可以使用公式[28]进行评估。1.00E-041.00E-051.00E-061.00E-071.00E-081.00E-091.00E-101.00E-110.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Voltage，Vgs（V）图二. 模拟器件和报道器件在黑暗和入射辐射下的Id-Vgs特性。I0 = 10 W/cm2，Vds = 0.05 V，k= 250 nm，tsi = 0.3l m.DG MOSFET Under illumination SimulatedDG MOSFET Under Dark SimulatedDG MOSFET Under illumination Reports [24]DG MOSFET Under Dark Reports [24]Drain Current Id（A）n1KR1n2KR2n3KR3a（cm-1）×1062501.920.3830.1151.6000.00801.583.630.561.8273001.990.4040.1261.5780.01305.004.1680.481.7463502.140.4570.1501.5650.02405.432.9890.411.0734004502.272.114 ×10-30.1510.1271.5571.5520.0350.023005.574.670.3870.1390.310.250.1210.038865002.0500.1191.5480.01904.290.0690.220.017465502.0200.1141.5450.01804.080.0430.200.00985A. Jain等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）186418671.00E-041.00E-051.00E-061.00E-071.00E-081.00E-091.00E-101.00E-111.00E-12在入射辐射DG MOSFET [24]黑暗之下CSG MOSFET（申报器械）0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Voltage，Vgs（V）图3.第三章。DG MOSFET和CSG MOSFET在黑暗和入射辐射下的Id-Vgs特性比较I0 = 10 W/cm2，Vds= 0.05V，k= 250 nm，R =0.25lm.1.00E-041.00E-051.00E-061.00E-071.00E-081.00E-091.00E-101.00E-111.00E-120.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Voltage，Vgs（V）图四、CSG MOSFET在不同入射辐射强度下的Id-Vgs特性Vds= 0.05V，k= 250 nm，R =0.25lm.1.00E-041.00E-051.00E-061.00E-071.00E-081.00E-091.00E-101.00E-111.00E-120.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Voltage，Vgs（V）图五、不同波长入射辐射下CSG MOSFET的Id-Vgs特性Vds= 0.05V，I0= 10W/cm2，R =0.25lm。Io = 0 W/cm 2Io = 0.1W/cm2 Io = 1 W/cm2 Io = 10W/cm 2黑暗之下=300 nm=350 nm=450 nmCurrent，Id（A）Current，Id（A）Current，Id（A）1868A. Jain等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）1864联系我们响应度RA可用光电流;Iapproximately入射光功率HCð4Þ在更高的波长。其次，在较高波长处，如表2所示，折射系数此外，可以看出，对于基于硅的CSGMOSFET，光的最大吸收发生在k= 250 nm至k= 600 nm量子效率<$Qe<$$>Re×qk<$5图6（a）中的结果示出了对于不同的通道半径，可用光电流对入射辐射的波长显然，通道半径越大，光被吸收的面积越大，因此可用的光电流越多。在更高的波长下，由于两个因素，可用的光电流减少，首先，使电子从沟道中的Si原子分离所需的能量是不够的以ZnO为透明栅材料。图6（b）表示所提出的光电传感器对于入射辐射的不同波长和变化的通道半径的响应度的依赖性。仔细观察，当R = 0.15l m时，最大响应率在k= 0.4lm处，当R= 0.25l m时，最大响应率在k =这种行为的原因是基于这样的事实，即当通道半径小时，对于入射光的较低波长，可以发生有效的光吸收。但随着沟道半径的增大，1.00E-071.00E-081.00E-091.00E-101.00E-111.00E-120 200 400 600 800 1000 1200 1400入射辐射波长（nm）（一）0.180.160.140.120.100.080.060.040.020.00R = 0.15 μmR = 0.25 μm0 200 400 600 800 1000 1200 1400入射辐射波长（nm）（b）第（1）款见图6。(a)不同通道半径的可用光电流与波长。(b)不同通道半径的响应度与波长。I0 = 10 W/cm2，Vgs = 0.0 V，Vds = 0.05 V。表3比较了不同入射辐射（Io）k = 250 nm，R = 0.25lm，tsi = 0.3lm，L = 1lm，W=1lm时DG MOSFET和CSG MOSFET的Vth和Ion/Ioff比。0.1 0.34 0.302 0.925× 1031.30 × 1031 0.30 0.272 0.716× 1021.03 × 10210 0.19 0.212 7.19 10.9R = 0.15 mR = 0.20 mR = 0.25 m响应度（A/W）有效光电流（A）Io W/cm2V th MOSFETVCC MOSFET（Vth）DG MOSFET（Ion/Ioff）CSG MOSFET（Ion/Ioff）00.350.3101.75 ×10512.6 ×105A. Jain等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）18641869波长可以深入通道内部，导致有效的光吸收[29]。光电探测器的最大响应度还受到偏置条件、复合过程以及反射和干涉等光学效应的影响[30表3示出了DG MOSFET与CSG MOSFET在阈值电压（Vth）和Ion/I off比随k = 250 nm处的入射辐射强度的变化方面的性能比较。CSG MOSFET由于有效地控制了沟道上的栅极，因此具有较低的阈值电压和较高的Ion/Ioff60504030201000 200 400 600 800 1000 1200 1400入射辐射波长（nm）图7.第一次会议。不同沟道半径的量子效率与波长I0 = 10 W/cm2，Vgs = 0.0 V，Vds = 0.05 V。表4对于不同的入射辐射（Io）值，Vth、Ion、 Ioff和Ion/Ioff比的变化（a）R = 0.15lm（b）R = 0.20 lm（c）R = 0.25lm。Io W/cm2 Vth（V）Ion（lA）Ioff（nA）Ion/Ioff（a）2019 - 05 - 25 10：00：000.1 0.308 9.96 7.33 1.35 ×1031.0 0.298 10.1 88.0 1.14 ×10211.0 852 12.91Io W/cm2 Vth（V）Ion（lA）Ioff（nA）Ion/Ioff（b）0.310 13.3 0.015 8.52× 1050.1 0.306 13.4 9.94 1.34 ×1031.0 0.297 13.6 125 1.08 ×10210 0.221 14.9 1260 11.8Io W/lm2 Vth（V）Ion（lA）Ioff（nA）Ion/Ioff（c）电话：+86-510 - 8888888传真：+86-510 - 88888880.1 0.302 16.5 12.6 1.30 ×1031.0 0.272 16.9 164 1.03 ×10210 0.212 18.9 1730 10.94035302520151050200 250 300 350 400 450 500 550 600入射辐射波长（nm）图8.第八条。灵敏度与波长。I0= 10 W/cm2，Vgs= 0.0 V，Vds= 0.05 V，R = 0.25lm。R = 0.15 μmR = 0.25 μmCSG MOSFETDG MOSFET量子效率（%）I照度/ I暗（× 104）1870A. Jain等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）1864阈值电压和亚阈值区较高的I-on/I-off比可用作低功率光电传感器。图7是示出了对于入射辐射的不同波长的百分比量子效率的曲线图。仔细观察量子效率首先随着波长的增加而增加，然后在达到最大值后下降。对于R = 0.15lm，k= 400 nm;对于R = 0.25 lm，k因此，所提出的设备可以被用作在该光谱区域中的高效光敏元件。表4示出了阈值电压（Vth）、Ion、Ioff和Ion/Ioff比随入射辐射强度和半径在k= 250 nm处的变化。照明导致更高的关断状态漏电流，降低的亚阈值斜率和阈值电压的较低值。低阈值电压和亚阈值区较高的Ion/Ioff比进一步增加了其作为低功率光敏应用的用途。光电探测器的灵敏度被定义为在照明下获得的电流与在暗条件下获得的电流的比率（I照明/I暗）。图8是示出相对于入射波长的变化的灵敏度变化的曲线图。与DG MOSFET相比，CSGMOSFET在暴露于光时，由于更高的照明电流和更低的暗电流而显示出更高的灵敏度在光谱的较低侧，灵敏度小，并且对于R = 0.25 lm，其峰值在k=450 nm处，并且在光谱的较远侧进一步减小。因此，所提出的器件可以有效地用作可见光范围内的高灵敏度低功耗光电传感器，并且可以通过其他FET器件（如CNT[33]和碰撞电离MOS[34]）进一步实现。4. 结论以ZnO为栅材料、SiO2为栅介质的CSG MOSFET在所需的光谱范围内具有很高的灵敏度CSG MOSFET的灵敏度是DG MOSFET的4.5倍，并且对于沟道半径R = 0.25μ m，在k= 450 nm处观察到峰值灵敏度所提出的器件还显示出在入射辐射下的亚阈值区域中的较高的照射电流、较低的阈值电压和较高的Ion/Ioff比，因此对于低功率操作，器件可以偏置在亚阈值区域中以获得最佳性能。ZnO作为栅极材料起到滤光器的作用，其仅允许可见光区域的波长通过并且阻挡其它波长到达下面的Si沟道，因此对于可见光波长发生最大光吸收，使该器件在可见光区能有效地进行光电探测。引用[1] X. Gong，M.H.童玉杰，夏文忠。Cai，J.S. Moon，Y. Cao，G. Yu，C.L. Shieh，B.Nilsson，A. J. 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