基于Silvaco TCAD的氧化镓日盲探测器能带仿真

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关键词：Silvaco TCAD；日盲探测；能带偏移；极化电场；氧化镓

一、文章简要介绍

日盲紫外波段（200到280纳米）避开了太阳辐射背景，导弹预警、火焰监测和保密通信都指望它。传统硅基传感器要外挂滤光片，光电倍增管又笨重又耗电，超宽禁带半导体是公认的方向。这篇东北师范大学团队2025年发表在Nature Communications的工作，用氧化镓/氮化铝/氮化铝镓三层异质结做出自供电日盲探测器，响应度0.73 A/W、衰减时间56微秒，还实现了256×256分辨率的单像素成像和运动目标追踪（DOI：10.1038/s41467-025-63683-w）。

图1 单像素日盲成像系统与双边能带偏移设计

单像素成像只用一个探测器，双边能带偏移让响应度和速度兼得。

器件是三层外延结构：蓝宝石上先做N极性AlN模板，往上生长硅掺杂的N型AlGaN:Si接触层，载流子浓度1.46×10^18 cm-3，中间约30纳米AlN作势垒层，顶层是非故意掺杂Ga2O3吸收层，900摄氏度MOCVD生长。球差校正透射电镜看各层界面清晰、无明显缺陷，Ga2O3与AlN的晶格失配只有2.6%。

图2 Ga2O3/AlN/AlGaN:Si异质结截面TEM原子结构

球差校正TEM显示各层界面清晰，Ga2O3与AlN晶格失配仅2.6%。

二、Silvaco TCAD能带仿真

仿真是这项设计的核心环节，用的就是Silvaco TCAD。模型按实际外延结构搭建：AlGaN:Si接触层、AlN势垒层、Ga2O3吸收层自下而上排列，求解泊松方程与电子、空穴连续性方程，载流子输运走漂移-扩散模型。物理模型开了三项：Shockley-Read-Hall复合描述深能级缺陷，Fermi-Dirac统计处理高掺杂简并，自发极化模型计入N极性氮化物的极化电荷——这一项是整个设计的命门。仿真在零偏压下进行，对应自供电工作状态。

图3 XPS实测三层材料能带对齐

XPS实测导带偏移0.53与1.27 eV，与仿真结果相互印证。

仿真结果很直观：N极性AlN层里的极化电荷把能带拉出陡峭弯曲，AlN内电场高达约13×10^5 V/cm。导带在AlGaN:Si/AlN界面抬升约0.50 eV挡住电子，价带近乎连续放行空穴，光生空穴被势阱困在势垒层里累积，产生光电导增益；内置电场又把空穴快速抽走，速度不受影响。XPS实测能带对齐（导带偏移0.53和1.27 eV）与仿真的0.50和1.22 eV对得上，DFT算出三种材料带隙5.07、6.17、5.40 eV，为仿真提供了输入参数。

图4 Silvaco TCAD仿真能带图与AlN极化电场分布

TCAD仿真显示AlN内极化电场约13×10^5 V/cm，能带弯曲形成空穴势阱。

图5 Ga2O3、AlN与AlGaN:Si的DFT能带结构

DFT算出Ga2O3、AlN、AlGaN:Si带隙为5.07、6.17、5.40 eV。

三、关键结果与发现

实验结果验证了这套设计：245纳米照射下零偏压响应度0.73 A/W，截止边279纳米，日盲区干净；25纳秒脉冲光测得衰减时间56微秒，比同类异质结器件快得多。响应度和响应速度这对老冤家，靠极化势阱同时保住了。

图6 器件结构与自供电日盲探测性能

245纳米零偏压响应度0.73 A/W，衰减时间56微秒。

AlN厚度是关键工艺参数，团队做了10、30、50纳米三组对照：10纳米响应度最高但暗电流偏大，30纳米在响应度与暗电流之间最平衡，56微秒的衰减时间也出自这一组，探测率超过10^11 Jones。

图7 不同AlN厚度器件的响应度与探测率

10至50纳米AlN厚度对照，30纳米兼顾响应度与暗电流。

配合数字微镜器件做单像素成像，静态指纹、字母和图案都重建出256×256像素的清晰图像，运动目标以64×64分辨率实时追踪。单个探测器就干成了传统焦平面阵列的活，系统成本和复杂度都下来了。

图8 日盲单像素成像与运动目标追踪

静态目标256×256像素重建，运动目标64×64实时追踪。

来源：320科技工作室

黄永刚晶体塑性UMAT子程序相关教学

（1）FCC/BCC改成HCP黄永刚本构模型适用于立方晶体，FCC/BCC，由于三个轴是相互正交的，通过输入三指数来描述，(hkl)用于晶面，[uvw]用于晶向在黄永刚的UMAT中可以根据输入的三指数，自动生成所有的滑移方向和滑移面法向。但是该代码不适用于密排六方的本构晶体。对于密排六方晶体（HCP）结构，滑移面和滑移方向通常采用四指数法来描述：(hkil) 用于晶面， [uvtw] 用于晶向本教学提供基于输入的四指数自动生成所有滑移方向和滑移面法向的代码，适用于HCP的晶体塑性计算，并提供材料参数说明。（2）加JC本构Johnson-Cook本构模型用于描述材料在动态载荷下的本构行为，其核心思想在于材料的流动应力取决于塑性应变、应变率和温度三者耦合作用。可以在黄永刚晶体塑性的UMAT中加入JC本构模型，使该本构模型考虑应变率硬化和温度软化。修改方法在于修改硬化模型，其硬化模量计算公式如下：上述模型中前两项为Bassani硬化模型，黄永刚程序里有，第三项为JC本构中的应变率硬化和温度软化项。修改后的本构计算效果如下图所示。图 { SEQ 图 \* ARABIC |1} 本构模型应力-应变曲线，(a) 单晶压缩模型，(b)不同应变率、温度的应力应变曲线（3）Voronoi多晶结构进行材料随机取向赋值脚本晶体塑性本构用于描述单晶的行为，然而大多数材料是由多晶构成的，采用晶体塑性UMATs进行多晶的仿真，可以借助Voronoi多晶模型，即生成具有多晶结构的代表性体积单元、模型。如下图所示。图 { SEQ 图 \* ARABIC |2} 多晶结构的代表性体积单元、模型当晶粒较多时，采用人工给不同晶粒逐一设置材料取向信息过程繁琐，可以采用脚本进行取向赋值，脚本支持随机取向或者具有织构的取向。（4）在滑移的基础上考虑孪晶系在传统晶体塑性理论中，除了常规滑移变形外，还引入孪晶作为另一种独立的塑性机制。当考虑了孪晶后，模型变为：这类模型还可以拓展为形状记忆合金相变+塑性的晶体塑性本构。（5）修改VUMATUMAT主要应用于隐式分析，而对于大变形接触问题，隐式分析往往计算效率较低。对于接触、碰撞、冲击等问题采用VUMAT往往具有更高的计算效率和收敛速度。可以将UMATs修改为VUMAT，用于隐式分析。本教学提供修改方法、代码及案例。（6）添加损伤本构晶体在滑移的作用下如何产生永久变形。采用黄勇刚晶体塑性本构可以模拟出晶体在恒定载荷下产生的蠕变。由于塑性变形进一步地会出现刚度下降，承载力下降的情况。标准的晶体塑性模型，无法描述这一现象，但如果在此基础上引入连续损伤本构模型，定义损伤因子，并将连续损伤因子与切应力关联，可以实现对材料损伤的仿真。其建模思路如下图所示：图 { SEQ 图 \* ARABIC |3} 晶体塑性蠕变损伤本构建模思路（7）添加背应力背应力是描述运动硬化和包辛格效应的关键机制，背应力演化公式：其中，是第个滑移系的背应力变化率。添加背应力前后，循环曲线如下图所示：（8）添加蠕变和损伤蠕变模型公式：第一项：纯蠕变贡献，第二项，损伤耦合贡献。添加蠕变前后，计算的位移-时间曲线如下：另外，该模型也可以用于计算晶体塑性低周疲劳，载荷谱及计算结果如下图所示：（不考虑蠕变）（考虑蠕变）（9）晶体塑性损伤+单元删除切削案例（10）位错密度晶体塑性本构模型在黄永刚晶体塑性框架的基础上，进一步开发了位错密度晶体塑性本构子程序（Abaqus UMAT）：位错密度以显式状态变量引入，12 个刃型与 6 个螺型几何必需位错（GND）分量逐增量求解，统计存储位错（SSD）走独立演化通道，硬化律采用位错森林投影而非总位错密度。相比只有标量硬化的唯象模型，它能回答三个问题：晶粒尺寸效应从何而来、织构演化多强、晶界处位错如何累积。（1）晶粒尺寸效应。三套 Voronoi 多晶模型仅改变晶粒数（平均尺寸 6.76 / 4.35 / 3.48 μm），单轴拉伸至 10% 应变。细晶的流动应力提升 43%，而总位错密度几乎不变（比值 0.960），位错摩擦应力却达 1.393 倍——细晶强化的载体是 GND 构成的位错森林，不是位错总数；应力与 1/d 的平方根呈线性关系，可据此定量估计 Hall-Petch 斜率。（2）织构演化。拉伸至 30% 应变，取向由每个增量步解出的滑移量积分更新，可直接从 ODB 抽取后绘制极图、计算 ODF。织构指数 J 由 10% 应变时的 +1.8 / +4.8 / +4.6 跃升到 +3.8 / +24.1 / +31.5，76% / 89% / 85% 的晶粒转动超过 5°；初始取向按构造均匀随机，长出来的结构完全是变形诱导的。（3）晶界位错累积。晶界两侧取向不同、滑移系不同，塑性应变梯度的跳变在晶界处造成 GND 累积。18432 个 C3D8 单元、20 个 Voronoi 晶粒拉伸至 5% 应变：内部晶界的 GND 密度达 170.3 μm-2，深部晶内仅 50.0 μm-2（3.4 倍），而自由表面只高 1.36 倍，说明堆积主要归属晶界而非表面效应；SSD 由滑移量决定，晶界处只有晶内的 0.34 倍。同一网格、同一时刻，两类位错给出完全不同的空间形貌。上述（1）-（10）的修改可以根据用户的材料特性，科研需求，组合定制本构子程序，可以提供教学+代码+案例，或者单独提供代码+案例。来源：320科技工作室