紅外光電晶體管非光照基區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)研究*

李志福，李 媛

（1.朝陽無線電元件有限責(zé)任公司，朝陽122000；2.渤海大學(xué)新能源學(xué)院，錦州121000）

1 引言

光電探測器是一種具有光生電流放大作用的器件，量子效率大于1。應(yīng)用于弱光信號探測的常見光電探測器主要包括雪崩倍增光電二極管和光電晶體管。由于雪崩倍增光電二極管的放大作用是通過雪崩倍增效應(yīng)實現(xiàn)的，通常需要在器件上施加幾十伏的反向偏壓[1-2]，由于幾十伏的高電壓在集成光電系統(tǒng)中難以實現(xiàn)，限制了雪崩光電二極管在集成光電系統(tǒng)中的應(yīng)用。另外，雪崩光電二極管的暗電流較大，對于線性應(yīng)用的偏壓范圍較窄，反向偏壓的任何微小變化均能導(dǎo)致雪崩倍增光電二極管的輸出特性偏離線性，使得光電信號在轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)失真。相比于雪崩倍增光電二極管，光電晶體管不需要高電壓就可以實現(xiàn)光生電流的放大作用。硅光電晶體管也具有漏電小、性能穩(wěn)定可靠、與半導(dǎo)體集成電路工藝兼容等優(yōu)點，在光電耦合和紅外探測領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用[3-4]。我國在光電耦合器和紅外探測器系統(tǒng)中所使用的光電晶體管基本依賴進口[5]，因此，從事硅紅外光電晶體管的研究對改善國產(chǎn)硅紅外晶體管的技術(shù)現(xiàn)狀具有較大意義。

截至目前，關(guān)于不同材料、結(jié)構(gòu)的光電晶體管光電性能研究的文獻報道較多，如：Victor Ryzhii等對應(yīng)用于遠紅外及兆赫茲輻射領(lǐng)域的石墨烯納米帶光電場效應(yīng)晶體管的解析模型進行了研究，利用該解析模型推導(dǎo)出源漏電流與光強、光頻率及源漏偏壓的關(guān)系式[6]。Giovanni Batignani等對應(yīng)用于射線探測領(lǐng)域的NPN雙極型光電晶體管進行設(shè)計和制備，利用兩次離子注入技術(shù)制備發(fā)射區(qū)，獲得了高達600倍的電流增益[7]。P.Kostov等基于180nm CMOS工藝技術(shù)設(shè)計并比較了三種不同結(jié)構(gòu)的光電集成用PNP雙極型光電晶體管，使用低摻雜的外延硅片作為初始襯底材料，直流最大光響應(yīng)度可達65A/W[8]。雖然目前關(guān)于光電晶體管結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及電學(xué)性能研究方面的報道較多，但針對NPN型硅紅外光電晶體管非光照區(qū)域結(jié)構(gòu)參數(shù)對其光電性能影響的詳細分析尚不多見。故此，利用TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件，分析了非光照區(qū)域基區(qū)表面濃度(CBS)和基區(qū)寬度(Wb)對NPN型硅紅外光電晶體管光電轉(zhuǎn)換特性的影響，綜合考慮非光照基區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)對NPN型硅紅外光電晶體管暗電流、輸出光電流及響應(yīng)速度的影響，對非光照基區(qū)表面濃度及基區(qū)寬度進行優(yōu)化。

2 NPN型硅紅外光電晶體管結(jié)構(gòu)參數(shù)及仿真模型選擇

NPN型硅紅外光電晶體管由光照區(qū)（光電二極管）和非光照區(qū)（普通雙極型晶體管）兩部分組成。初始硅片材料是厚度為55μm、摻雜濃度為9.193×1014cm-3、電阻率為5Ω·cm的N型外延片，晶向為<111>。外延層厚度的選取不僅保證了硅紅外光電晶體管在施加集電極-發(fā)射極反向偏壓時集電結(jié)空間電荷區(qū)在集電區(qū)一側(cè)的擴展寬度，而且適合于吸收深度較深的紅外波段入射光。為進一步降低硅紅外光電晶體管集電極接觸電阻，N+襯底采用重?fù)诫s，電阻率為 0.003 Ω·cm，厚度為 200μm。硅紅外光電晶體管橫向尺寸為200μm。為減小發(fā)射結(jié)電容CBE，提高硅紅外光電晶體管的截止頻率，并增大光照區(qū)域面積，提高雙極晶體管部分的基極注入水平，選取的發(fā)射區(qū)橫向尺寸以小為宜，選為40μm。

由于所采用的發(fā)射區(qū)為非完全覆蓋平面發(fā)射區(qū)，光照區(qū)域激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子在硅紅外光電晶體管內(nèi)部的輸運不是簡單的一維垂直輸運。因此，為減少光生載流子在由光照區(qū)域傳輸至非光照區(qū)域過程中的復(fù)合損耗，選擇外延層中初始少子壽命為100μs。為了獲得較高的紅外光譜響應(yīng)度，同時抑制可見光波段的響應(yīng)，光照區(qū)域基區(qū)表面濃度選擇為5×1019cm-3，結(jié)深選擇為2.5μm。發(fā)射區(qū)采用重?fù)诫s，表面峰值濃度為1×1020cm-3，結(jié)深為1μm。為降低特征波長（0.88μm）處的光反射率，采用厚度為240nm/130nm的SiO2/Si3N4雙層減反射膜。非金屬接觸區(qū)表面復(fù)合速率為100cm/s。默認(rèn)金屬-半導(dǎo)體接觸為理想的歐姆接觸。

載流子復(fù)合主要包含三種復(fù)合機制，分別為肖克萊-里德-霍爾（SRH）復(fù)合、輻射復(fù)合及俄歇復(fù)合[9]。輻射復(fù)合屬于半導(dǎo)體材料的本征復(fù)合，在硅中，輻射復(fù)合基本不起作用；SRH復(fù)合是通過復(fù)合中心的間接復(fù)合過程，與雜質(zhì)或缺陷的數(shù)量、性質(zhì)有關(guān)，通常輕摻雜半導(dǎo)體材料中少子壽命主要決定于SRH復(fù)合；俄歇復(fù)合與多數(shù)載流子的濃度有關(guān)，在重?fù)诫s半導(dǎo)體材料中少子壽命主要決定于俄歇復(fù)合。在仿真過程中，復(fù)合模型只考慮SRH復(fù)合模型和俄歇復(fù)合模型。遷移率模型考慮了與摻雜濃度、溫度、電場相關(guān)的遷移率模型。此外還考慮了重?fù)诫s引起的禁帶變窄效應(yīng)和能帶簡并效應(yīng)。

當(dāng)光強較高時，對硅紅外光電晶體管進行光電轉(zhuǎn)換特性的仿真需要考慮晶格自加熱效應(yīng)。計算由自熱引起的器件內(nèi)部溫度分布需要求解下面的熱傳導(dǎo)方程[10-11]：

其中，T是溫度，c是晶格熱容，k是熱導(dǎo)率，Pn和Pp分別表示電子和空穴的絕對熱電功率，n和p分別為電子和空穴準(zhǔn)費米勢，Jn和Jp分別代表電子和空穴電流密度，kB是玻爾茲曼常數(shù)，EC和EV分別表示導(dǎo)帶底和價帶頂能級，q為基本電荷，R為復(fù)合率。

為了精確仿真自熱效應(yīng)對硅紅外光電晶體管光電轉(zhuǎn)換特性的影響，選用非等溫能量平衡傳輸模型模擬載流子的輸運過程。非等溫能量平衡傳輸模型對漂移-擴散模型在非等溫情況下進行了擴展，它考慮了晶格溫度梯度對電流密度的貢獻。考慮晶格溫度梯度影響后的電子和空穴電流密度方程如下[10-11]：

其中，n和p分別表示為電子和空穴濃度，μn和 μp分別是電子和空穴遷移率。仿真時環(huán)境溫度設(shè)為25℃。入射光垂直硅紅外光電晶體管上表面入射，集電極偏壓為0～5V，光強變化范圍為0～0.05W/cm2，探測光波長為0.88μm。假設(shè)硅紅外光電晶體管左、右邊界及上邊界與外界均無熱量交換。圖1為NPN型硅紅外光電晶體管二維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 NPN型硅紅外光電晶體管結(jié)構(gòu)

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 輸出暗電流

暗電流過大，將影響硅紅外光電晶體管的信噪比，限制其對弱光信號的探測范圍。圖2為仿真得到的不同非光照基區(qū)表面濃度(CBS)和基區(qū)寬度(Wb)對硅紅外光電晶體管暗電流的影響。由圖中可見：CBS越低，Wb越窄，隨著集電極偏壓（VCE）的增大，暗電流增大越迅速。當(dāng)Wb較窄（0.2μm）且CBS較低（≤1×1018cm-3）時，VCE的微小增大（＜0.3V）導(dǎo)致暗電流急劇增大。對于Wb=0.4μm，CBS=1×1017cm-3的情況，暗電流曲線也呈現(xiàn)上述類似的變化特點。對這一特點的成因可作如下分析：

VCE使得集電結(jié)空間電荷區(qū)除了在集電區(qū)一側(cè)擴展外，在非光照基區(qū)一側(cè)也有一定的擴展。CBS越低，空間電荷區(qū)在基區(qū)一側(cè)的擴展寬度越大，有效基區(qū)寬度就越窄。Wb越窄，有效基區(qū)寬度的減小對晶體管輸出特性的影響越顯著[12]。當(dāng)VCE一定時，有效基區(qū)寬度越窄，輸出暗電流越大。當(dāng)CBS較低且Wb較窄時，較小的VCE便可使得基區(qū)一側(cè)的集電結(jié)空間電荷區(qū)擴展臨近發(fā)射結(jié)邊緣，極易發(fā)生“基區(qū)穿通”現(xiàn)象，導(dǎo)致隨VCE的增大，硅紅外光電晶體管暗電流急劇增大。當(dāng)Wb較寬（≥0.6μm）且VCE在0～5V范圍內(nèi)變化時，對于具有不同CBS的硅紅外光電晶體管，暗電流均可被限制在4×10-12A/μm以內(nèi)。

圖2 非光照基區(qū)不同表面濃度和寬度對暗電流的影響

3.2 輸出光電流

對于硅紅外光電晶體管，要求其對于一定的光強，能夠輸出盡可能大的光電流，且輸出光電流與光強應(yīng)具有良好的線性關(guān)系，以保證光電信號轉(zhuǎn)換過程中不失真。圖3為仿真得到的在不同的CBS和Wb的條件下，輸出光電流（IL）隨光強(Pin)的變化。在仿真過程中，VCE為5V。由圖中可見：在VCE一定的情況下，當(dāng) Wb較窄(0.2μm)且 CBS較低(≤1×1018cm-3)時，隨著Pin的增大，IL先迅速增大，而后增大趨勢變緩，逐漸趨于飽和狀態(tài)。CBS越低，IL趨于飽和狀態(tài)的臨界Pin越低。隨著Wb增大(0.4μm)，對于CBS較高(≥5×1017cm-3)的情況，IL與 Pin具有線性關(guān)系。隨著Wb進一步增大（≥0.6μm），對于具有不同 CBS的硅紅外光電晶體管，IL均與Pin呈線性關(guān)系。對其成因分析如下：

IL的產(chǎn)生是由于光照區(qū)域與非光照區(qū)域存在空穴濃度梯度，導(dǎo)致空穴由光照區(qū)域向非光照基區(qū)擴散，降低了非光照基區(qū)的勢壘高度，引起發(fā)射區(qū)注入更多的電子。Wb越小，非光照區(qū)域與光照區(qū)域空穴濃度梯度越大，擴散到非光照基區(qū)的空穴越多，非光照基區(qū)勢壘降低越明顯，IL越大。

圖3 非光照基區(qū)不同表面濃度和寬度對光電流的影響

當(dāng) Wb較窄(0.2μm)且 CBS較低(≤1×1018cm-3)時，在較小的Pin情況下，非光照基區(qū)會受到“大注入效應(yīng)”的顯著影響[13]，即非光照基區(qū)電導(dǎo)率會受到電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的影響而增大。Pin越大、Wb越窄、CBS越低，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)越顯著。因此，當(dāng)Wb較窄且CBS較低時，IL隨Pin的增大逐漸進入飽和狀態(tài)。而對于Wb較寬(≥0.6μm)的情況，基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不明顯。在不同的Pin情況下，具有不同CBS的硅紅外光電晶體管，IL與Pin呈線性關(guān)系。表明Wb較寬的硅紅外光電晶體管，其可探測的光強范圍較大，輸出信號范圍較寬。

3.3 響應(yīng)速度

對于NPN型硅紅外光電晶體管，要求其具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)。響應(yīng)速度由器件開通時間和關(guān)斷時間決定[14]。對于雙極型器件，由于關(guān)斷過程會受到“少子貯存”效應(yīng)的影響，關(guān)斷時間通常大于開通時間[12]。故此選取硅紅外光電晶體管的關(guān)斷時間進行研究。圖4為仿真得到的不同CBS和Wb對NPN型硅紅外光電晶體管關(guān)斷時間的影響。在仿真過程中，初始光強Pin設(shè)為0.05W/cm2，Pin下降時間為1ns。由圖中可見：探測光消失后，在較短時間內(nèi)，輸出光電流幾乎保持不變。隨后輸出光電流逐漸下降到穩(wěn)定值（集電極-發(fā)射極反向飽和暗電流ICEO），NPN型硅紅外光電晶體管完全關(guān)斷。Wb越窄、CBS越低，關(guān)斷時間越長。原因分析如下：

當(dāng)Pin較大時，在硅紅外光電晶體管導(dǎo)通情況下，Wb越窄、CBS越低，硅紅外光電晶體管在非光照基區(qū)和集電區(qū)中積累的載流子數(shù)量越多。探測光消失后，積累在非光照基區(qū)和集電區(qū)的大量載流子需要通過復(fù)合消失才可以恢復(fù)到導(dǎo)通前的初始狀態(tài)（該段時間稱為“恢復(fù)時間”）。由于在發(fā)射結(jié)兩旁儲存有較多的非平衡少數(shù)載流子，即使探測光消失后，在較短時間內(nèi)發(fā)射結(jié)仍將保持正偏，輸出光電流幾乎保持不變。發(fā)射結(jié)兩側(cè)積累的過剩少數(shù)載流子會由于復(fù)合損耗逐漸消失，當(dāng)發(fā)射結(jié)不滿足正偏條件后，NPN型硅紅外光電晶體管將由導(dǎo)通狀態(tài)進入關(guān)斷狀態(tài)，內(nèi)部的非平衡少數(shù)載流子逐漸復(fù)合消失，輸出光電流逐漸下降到穩(wěn)定值。當(dāng)少子壽命一定時，非平衡少子數(shù)量越多，非平衡少子消失殆盡所需要的時間越長，NPN型硅紅外光電晶體管關(guān)斷時間越長。

圖4 非光照基區(qū)不同表面濃度和寬度對關(guān)斷時間的影響

4 結(jié)束語

對非光照基區(qū)表面濃度及基區(qū)寬度的選擇，應(yīng)綜合考慮其對NPN型紅外硅光電晶體管暗電流、光生電流及響應(yīng)速度的影響。非光照基區(qū)表面濃度越小，基區(qū)寬度越窄，在相同的集電極反向偏壓下，NPN型紅外硅光電晶體管暗電流越大。當(dāng)非光照基區(qū)寬度Wb≥0.6μm時，紅外硅光電晶體管可在較大的集電極反向偏壓范圍內(nèi)工作，適合低功耗應(yīng)用；在集電極反向偏壓一定的情況下，當(dāng)非光照基區(qū)寬度較窄 (0.2μm)且表面濃度較低 (≤1×1018cm-3)時，隨著光強的增大，器件輸出光電流先迅速增大，然后增大趨勢變緩，逐漸趨于飽和狀態(tài)?；鶇^(qū)表面濃度越低，輸出光電流趨于飽和狀態(tài)的臨界光強越小。隨著基區(qū)寬度的增大 (0.4μm)，當(dāng)基區(qū)表面濃度CBS≥5×1017cm-3時，器件輸出光電流與光強具有線性關(guān)系。隨著基區(qū)寬度進一步增大（≥0.6μm），輸出光電流均與光強呈線性關(guān)系；提高非均勻基區(qū)表面濃度，增大基區(qū)寬度雖然不利于器件輸出光電流的提高，但卻有利于響應(yīng)速度的改善。所得仿真結(jié)果可為NPN型紅外硅光電晶體管結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計及器件制備提供有意義的參考信息。