穿通增強型硅光電晶體管的結構及參數(shù)優(yōu)化

丁傳鵬,周 泉,陸逢陽,王寶續(xù),常玉春

(吉林大學 電子科學與工程學院,長春 130012)

0 引 言

探測器[1,2]技術是現(xiàn)代科技領域的高端前沿技術,其中光電探測是探測器技術的一個重要分支。寬動態(tài)范圍和高響應率的光電探測器,由于在高精度加工和測量、高速攝像及飛行追蹤、高質量數(shù)碼照相機、全自動顯像儀以及人造視網(wǎng)膜等方面的巨大應用前景,一直受到了科技領域的廣泛重視[3,4]。

目前廣泛應用的探測器是PIN(Positive Intrinsic Negative)光電二極管[5-8]、雪崩光電二極管APDs(Avalanche Photodiodes)[9-11]和光電晶體管[12,13]。PIN光電二極管的本征區(qū)很寬,有較長的光吸收區(qū)域和較快的響應時間,但由于其沒有內(nèi)部增益,導致在弱光下的響應率非常不理想,限制了應用； 雪崩光電二極管有內(nèi)部增益,但由于雪崩效應導致噪聲過大,并且工作電壓過高,不適用于低噪聲和低電壓工作； 傳統(tǒng)的光電晶體管有內(nèi)增益且噪聲不大,但在入射光強減弱時,信噪比將會變差。

一種穿通增強型硅光電晶體管(PEP：Punchthrough Enhanced Phototransistors)[14,15]克服了以上各種常用光電探測器件的缺點,暗電流較低,在弱光下具有106光電轉換增益,響應光強范圍寬達140 dB,1 V左右達到穿通,適用于制造1.8 V低電壓工作光電探測器,性能指標優(yōu)越。筆者基于該穿通增強型硅光電晶體管的工作機理,提出一種改進結構,以進一步提高器件整體工作性能。然后對改進后模型進行二維模擬仿真,對決定器件性能的重要參數(shù)窄基區(qū)寬度進行優(yōu)化設計。分析仿真結果,為器件確定一組最優(yōu)參數(shù)。最后根據(jù)所確定的模型結構及參數(shù),對器件在大范圍光強下的光生電流特性及響應率特性進行了深入研究。

1 結構優(yōu)化

穿通增強型硅光電晶體管由一個寬基區(qū)NPN(Negative Positive Negative)型光電晶體管和一個窄基區(qū)NPN型穿通晶體管橫向復合而成,兩晶體管發(fā)射極和集電極分別相連,引出兩個工作電極。兩電極之間的低摻雜濃度襯底作為基極,懸空不接電位。器件工作時,發(fā)射極與集電極之間接偏壓VCE。只有寬基區(qū)接受光照,由于寬基區(qū)較寬,沒有達到穿通,不考慮其對整體器件的電流貢獻。寬基區(qū)內(nèi)部由于光吸收而產(chǎn)生了大量光生載流子,其中產(chǎn)生的光生電子很快被掃入集電極,而由于勢壘的作用,空穴將在寬基區(qū)中累積。同時,由于窄基區(qū)寬度較窄,在一定偏壓下,很快達到穿通狀態(tài),其中的載流子基本耗盡。所以,寬、窄基區(qū)的空穴濃度會存在一個梯度,這個梯度將導致寬基區(qū)的空穴向窄基區(qū)擴散,從而增大窄基區(qū)的空穴濃度,進而導致發(fā)射極發(fā)射注入電子增加,達到擴大光生電流的效果。以上就是穿通增強型硅光電晶體管的基本工作原理。

圖1 器件的二維模型結構圖

在傳統(tǒng)穿通增強型硅光電晶體管中,兩個基區(qū)寬度不同的晶體管是橫向連接在一起的。為更多地吸收光子產(chǎn)生光生載流子,寬基區(qū)的長度往往設計得較大,導致處于寬基區(qū)中離窄基區(qū)較遠的位置積累的光生空穴由于較大的擴散距離,很難完全擴散至窄基區(qū)中,從而影響了器件的光電轉換效應?？紤]到以上傳統(tǒng)穿通增強型硅光電晶體管結構中寬基區(qū)無法完全發(fā)揮功能的限制,將傳統(tǒng)器件結構進行如下改進,在窄基區(qū)穿通晶體管兩側各復合一個基區(qū)長度減半的寬基區(qū)光電晶體管,使器件由3個晶體管橫向復合而成,具體結構如圖1所示。光照時,這兩部分寬基區(qū)光電晶體管接受光照并產(chǎn)生光生載流子,在器件總長度和傳統(tǒng)穿通增強型硅光電晶體管相同的情況下,改進后的結構中由兩側寬基區(qū)中的光生空穴同時擴散到中間窄基區(qū)中,橫向擴散距離都較小。使光生載流子在擴散的過程中被復合的幾率大大降低,從而增大了到達窄基區(qū)的光生空穴的數(shù)量,并且有兩部分光生空穴同時向窄基區(qū)中擴散,相比傳統(tǒng)器件只有單側光生空穴擴散,這種雙側擴散結構的效率可以提高一倍,在增大響應率的同時,響應時間也會相應縮短。

對優(yōu)化后的器件結構進行模擬仿真,建立一個二維仿真模型(見圖1)。Ⅰ區(qū)域為n(negative)型重摻雜的有源區(qū),Ⅱ區(qū)域表示p(positive)型輕摻雜的基區(qū)?？梢悦黠@看出,整個器件由基區(qū)寬度不同的3個晶體管橫向復合而成,3個晶體管的集電極和發(fā)射極分別相連,基區(qū)懸空,只有寬基區(qū)部分接受光照。圖1中的紅色線段表示入射光,箭頭代表入射方向?；鶇^(qū)中的曲線為外加偏壓VCE為1 V時的勢壘輪廓線,可看出,這時窄基區(qū)已經(jīng)完全穿通,而兩個寬基區(qū)還沒有達到穿通,存在中性區(qū)域。

2 參數(shù)優(yōu)化

穿通增強型硅光電晶體管的結構參數(shù)包括窄基區(qū)寬度、寬基區(qū)寬度、有源區(qū)寬度、窄基區(qū)長度、寬基區(qū)長度和襯底摻雜濃度等,而工藝一旦確定,襯底摻雜濃度將無法改變,并且寬、窄基區(qū)的長度對器件的穿通影響甚微。又由于寬基區(qū)寬度較大,導致寬基區(qū)部分不易達到穿通,只有窄基區(qū)的寬度對器件的穿通性能有顯著影響,因而只將窄基區(qū)寬度作為優(yōu)化參數(shù)。固定器件整體尺寸為3 μm×2 μm,兩個寬基區(qū)的長度為0.6 μm,窄基區(qū)長度為1.2 μm,寬基區(qū)寬度(WB:Wide Base)選定為1.8 μm,窄基區(qū)寬度(NB:Narrow Base)從0.4 μm變化至0.8 μm,對器件暗電流、光生電流及響應率進行仿真并分析比較后選擇最佳尺寸。

2.1 窄基區(qū)寬度對暗電流的影響

圖2 不同窄基區(qū)寬度下暗電流隨偏壓變化的仿真結果

暗電流是光電探測器重要的性能指標,暗電流過大,影響器件的信噪比,限制弱光探測范圍。

圖2為改進后的穿通增強型硅光電晶體管在不同窄基區(qū)寬度情況下暗電流隨偏壓變化的仿真結果。窄基區(qū)寬度依次取值0.4 μm,0.5 μm,0.6 μm,0.7 μm,0.8 μm。

由仿真曲線可知,在窄基區(qū)寬度一定情況下,改進的器件結構在集電極電壓由0增大到3 V的過程中,暗電流隨之增大。而在一定偏壓下,隨著窄基區(qū)寬度的減小,暗電流明顯增加。在窄基區(qū)寬度為0.4 μm時,器件偏壓達到0.5 V,暗電流已經(jīng)超過50 μA,過窄的基區(qū)導致穿通過早,這種尺寸的器件暗電流過大,不適合應用； 而窄基區(qū)寬度大于0.6 μm、器件偏壓低于0.5 V時,暗電流可限制在1 μA以內(nèi),這種較低偏壓下暗電流小的特性,可用來實現(xiàn)低工作電壓的光電探測器,適合低功耗應用。

2.2 窄基區(qū)寬度對光生電流的影響

器件在光照條件下產(chǎn)生的光生電流大小以及器件的光電響應率是區(qū)分光電器件性能的重要指標,響應率越高說明器件的光電轉換性能越好,在綜合考慮其他性能參數(shù)的同時,得到高響應率的結構是光電探測器設計過程中最重要的工作。

圖3 不同窄基區(qū)寬度下光生電流隨偏壓變化的仿真結果

圖3為光強在10-6W/cm2時,對不同結構參數(shù)的器件進行光生電流隨偏壓變化的仿真結果,窄基區(qū)寬度依次取值0.4 μm,0.5 μm,0.6μm,0.7 μm,0.8 μm。

由仿真曲線可看出,光強一定的條件下,在偏壓由0增加到3 V的過程中,光生電流在偏壓達到1 V之前迅速增大,之后增加趨勢變緩,最終光生電流隨偏壓的變化達到飽和； 在同一偏壓下,隨著窄基區(qū)的寬度減小,光生電流增大,且較低偏壓時,窄基區(qū)寬度對光生電流的影響比較顯著。

下面分析窄基區(qū)寬度對光生電流的影響。首先,光生電流的產(chǎn)生是由于寬窄基區(qū)存在的空穴濃度梯度,進而導致寬基區(qū)向窄基區(qū)擴散空穴,降低窄基區(qū)勢壘高度,引起發(fā)射結發(fā)射更多的電子。窄基區(qū)的寬度直接影響器件的穿通性能,窄基區(qū)越寬,穿通越弱,勢壘降低越小,寬窄基區(qū)濃度梯度越小,所以擴散到窄基區(qū)的空穴較少,進而光生電流較低； 而窄基區(qū)越窄,穿通越明顯,勢壘降低越大,導致兩基區(qū)濃度梯度越大,使擴散到窄基區(qū)的空穴較多,所以,會產(chǎn)生較大的光生電流。要指出的是,在較大偏壓下,不同寬度的窄基區(qū)都容易達到穿通,載流子完全耗盡,因而窄基區(qū)寬度的影響并不明顯； 而在較低偏壓下,窄基區(qū)的耗盡程度就會很大程度地受到窄基區(qū)寬度的影響。由圖3可看到,較低偏壓下,幾條曲線隨窄基區(qū)的寬度變化較明顯。

總之,窄基區(qū)寬度越小,同一偏壓下的光生電流越大,然而較小的窄基區(qū)寬度也使器件暗電流很大,因此對于該尺寸要折中考慮。

2.3 窄基區(qū)寬度對光電響應率的影響

光電晶體管的響應率R是光電探測器件輸出信號與輸入光功率之間關系的度量,標志著光電探測器的光電轉換效能。具體定義為探測器輸出光生電流Iphoto與入射光功率Pin之比。即

R=Iphoto/Pin

(1)

圖4 不同窄基區(qū)寬度下光電響應率隨偏壓變化的仿真結果

圖4為不同窄基區(qū)寬度下光電響應率隨偏壓變化的仿真結果。由仿真曲線可看出,在窄基區(qū)寬度一定的情況下,隨著偏壓增大,響應率先增大,在到達最高點后有不同程度的減小。在窄基區(qū)寬度較小的情況下,如取值0.4 μm、0.5 μm時,在較低的偏壓下,響應率高于106A/W。而當基區(qū)寬度取值0.8 μm時,只有當偏壓高于1.4 V時,才能獲得大于106A/W的響應率。

同理,窄基區(qū)寬度對響應率的影響也表現(xiàn)在對穿通程度的控制上。窄基區(qū)寬度小的器件,由于較易發(fā)生穿通,在偏壓略有增大時,可達到穿通狀態(tài)。這時寬基區(qū)部分由于光吸收產(chǎn)生的光生空穴大量擴散到窄基區(qū),使電流有了明顯增大,響應率有了顯著提高。當器件窄基區(qū)寬度較大時,偏壓增大時窄基區(qū)載流子的耗盡較慢,需要達到一定偏壓才能達到穿通狀態(tài),電流也需到增大到一定偏下才會有明顯的增加,從而導致響應率在較大偏壓下才能得到106A/W響應率。

綜合以上對器件暗電流、光生電流及響應率的仿真結果,總結器件參數(shù)的優(yōu)化結果。選擇窄基區(qū)寬度為0.4 μm的器件結構,在一定偏壓下可以得到接近107A/W的高響應率,但窄基區(qū)寬度過小導致暗電流過大。而較寬的窄基區(qū)如0.8 μm,在相同偏壓下,可以獲得最低的暗電流,然而光生電流和響應率相對較小的窄基區(qū)都不同程度地降低。綜合考慮以上幾種因素,折中選取窄基區(qū)尺寸為0.6 μm,既得到較大光生電流及高響應率又限制暗電流在可接受的范圍內(nèi)。

3 研究器件在不同光強下的響應特性

基于以上對窄基區(qū)寬度的優(yōu)化仿真,最終確定窄基區(qū)寬度的最優(yōu)值為0.6 μm。其余參數(shù)不變,下面進一步仿真并分析優(yōu)化器件在不同光強下的響應特性。

圖5為優(yōu)化后的器件在不同光強下的光生電流隨偏壓的變化關系。如前所述,在窄基區(qū)寬度一定情況下,偏壓較低時,光生電流就達到飽和,之后隨偏壓的變化并不明顯。然而光生電流隨光強變化很大,光強越大,光生電流越大。當光強變化范圍從10-9W/cm2～10-1W/cm2時,光生電流變化從10-10A/μm增加至10-5A/μm,增大了近5個數(shù)量級。同時,在強光下,光生電流也沒有達到飽和,說明器件可探測光強范圍極大,輸出信號范圍寬。

圖6為不同入射光強度下光電響應率隨偏壓變化的仿真結果?？傮w來說,對于參數(shù)優(yōu)化后的器件,當偏壓增大到一定程度時,光響應率將不再隨偏壓變化。而在一定偏壓下,響應率隨光強變化而變化,然而這種趨勢在弱光下并不明顯。如圖6所示,當光強低于10-4W/cm2時,響應率趨于飽和,高達5.6×107A/W。而隨著光強增大,響應率降低,然而當光強高達10-1W/cm2時,器件響應率仍然大于103A/W。相比于傳統(tǒng)光電探測器,該優(yōu)化器件具有更高的響應率,響應光強范圍大,非常適合寬動態(tài)范圍圖像傳感器應用。

圖5 不同入射光強度下光生電流隨偏壓變化的仿真結果 圖6 不同入射光強度下光電響應率隨偏壓變化的仿真結果

4 結 語

筆者針對傳統(tǒng)的穿通增強型硅光電晶體管的結構和參數(shù)進行優(yōu)化。結構上模擬構建了二維模型,將窄基區(qū)穿通晶體管僅在一側與寬基區(qū)光電晶體管復合改進為窄基區(qū)穿通晶體管在中間,兩側各復合一個長度減半的寬基區(qū)光電晶體管。在不同窄基區(qū)寬度下對暗電流、光生電流及光電響應率等隨偏壓變化的電學性能和光電轉換特性進行仿真,經(jīng)過比較分析所得仿真結果,總結窄基區(qū)寬度的變化對器件性能的影響,最終得到了器件性能折中達到最優(yōu)的具體參數(shù),即窄基區(qū)寬度為0.6 μm； 最后,對優(yōu)化后的器件在不同光強下的光生電流和光電響應率隨偏壓的變化進行仿真,分析了器件在不同光強下的響應特性。在窄基區(qū)寬度為0.6 μm的參數(shù)條件下,偏壓為0.5 V時,暗電流僅為1 μA,當入射光功率密度為10-7W/cm2時,器件響應率高達4×106A/W,并且響應光強范圍非常大。

參考文獻：

[1]LUO Hong-e,GU Jin-liang,CHEN Ping.Velocity Measurement Based on Orthogonal CCD Shadow Photograph System in Ballistic Range[J].The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications,2010,17(1):127-130.

[2]解天驕,郭文濱,阮圣平.基于Pt電極的TiO2紫外探測器研究[J].吉林大學學報：信息科學版,2012,30(2):116-119.

XIE Tian-jiao,GUO Wen-bin,RUAN Sheng-ping.Research on TiO2Ultraviolet Photodetectors with Pt electrodes[J].Journal of Jilin University：Information Science Edition,2012,30(2):116-119.

[3]黃敏敏,朱興龍.硅光電探測器的發(fā)展與應用[J].機械工程與自動化,2011,6(4):203-205.

HUANG Min-min,ZHU Xing-long.Development and Application of Silicon Photodetectors[J].Mechanical Engineering &Automation,2011,6(4):203-205.

[4]STOPPA D,SIMONI A,GOMZO L.Novel CMOS Image Sensor with a 132-dB Dynamic Range[J].IEEE Journal of Solid-State Circuit,2002,37(12):1846-1852.

[5]富容國,常本康,錢蕓生.PIN光電二極管探測器響應特性測試[J].光學與光電技術,2007,5(1):11-13.

FU Rong-guo,CHANG Ben-kang,QIAN Yun-sheng.Testing System of the Detector Circuit of PIN Photodiode[J].Optics &Optoelectronic Technology,2007,5(1):11-13.

[6]XU Zhi-gang,CHEN Ying-mei,WANG Tao,et al.A 40 Gbit/s Fully Integrated Optical Receiver Analog Front-End in 90 nm CMOS[J].The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications,2012,19(1):124-128.

[7]LI En-ling,CHEN Gui-can,WANG Jin-fu.Circuit Topology Analysis of CMOS LNA in Mobile Communication System[J].The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications,2004,11(2):103-107.

[8]張燕,曾光宇,洪志剛.硅PIN光電二極管探測系統(tǒng)的研究[J].核電子學與探測技術,2008,28(2)：391-393.

ZHANG Yan,ZENG Guang-yu,HONG Zhi-gang.Research of the Silicon PIN Diode Detecting System[J].Nuclear Electronics &Detection Technology,2008,28(2):391-393.

[9]宋海蘭,黃輝,崔海林.InGaAs/Si雪崩光電二極管[J].半導體光電,2010,31(5):702-704.

SONG Hai-lan,HUANG Hui,CUI Hai-lin.InGaAs/Si Avalanche Photodiodes[J].Semiconductor Optoelectronics,2010,31(5):702-704.

[10]詹玉書,任軍,譚勝斌.用雪崩光電二極管進行光電外差檢測的研究[J].西安電子科技大學學報,1996,23(2):171-175.

ZHAN Yu-shu,REN Jun,TAN Sheng-bin.Studies of Optoelectronic Heterodyne Detection with Avalanche Photodiode[J].Journal of Xidian University,1996,23(2):171-175.

[11]DENG Guang-qing,WEI Ting,CHEN Chang-jia,et al.Distributed Upload Bandwidth Assigning Algorithm in P2P VoD System[J].The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications,2011,18(6):78-88.

[12]史瑞,陳治明.4H-SiC紫外光光電晶體管模擬與分析[J].西安理工大學學報,2011,27(1):1-6.

SHI Rui,CHEN Zhi-ming.Simulation and Analysis of 4H-SiC Ultraviolet Phototransistor[J].Journal of Xi’an University of Technology,2011,27(1):1-6.

[13]閻鳳章,李國輝,韓衛(wèi).穿通型光電晶體管的直流特性測試[J].北京師范大學學報:自然科學版,1994,30(2):228-231.

YAN Feng-zhang,LI Guo-hui,HAN Wei.Measurements of the Direct-Current Properties of a Punch-Through Phototransistor[J].Journal of Beijing Normal University：Natural Science,1994,30(2):228-231.

[14]LIU X,GUO S X,ZOU C.Punchthrough Enhanced Phototransistor Fabricated in Standard CMOS Process[J].IEEE Electron Device Letters,2009,30(3):272-274.

[15]ZHOU Q,GUO S X,DU G T.High Dynamic Range Photodetecting Scheme Based on PEPT with a Large Output Swing[J].IEEE Transcations on Electron Devices,2012,59(5):1423-1429.