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(hào)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(shí)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(shí)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(duì)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(hào)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(shí)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(diǎn)，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(jìn)口[5]，因此，從事硅紅外光電晶體管的研究對(duì)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(xiàn)報(bào)道較多，如：Victor Ryzhii等對(duì)應(yīng)用于遠(yuǎn)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(jìn)行了研究，利用該解析模型推導(dǎo)出源漏電流與光強(qiáng)、光頻率及源漏偏壓的關(guān)系式[6]。Giovanni Batignani等對(duì)應(yīng)用于射線探測領(lǐng)域的NPN雙極型光電晶體管進(jìn)行設(shè)計(jì)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(dá)600倍的電流增益[7]。P.Kostov等基于180nm CMOS工藝技術(shù)設(shè)計(jì)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(dá)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(bào)道較多，但針對(duì)NPN型硅紅外光電晶體管非光照區(qū)域結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其光電性能影響的詳細(xì)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(duì)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(duì)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(duì)非光照基區(qū)表面濃度及基區(qū)寬度進(jìn)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?yàn)?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(shí)集電結(jié)空間電荷區(qū)在集電區(qū)一側(cè)的擴(kuò)展寬度，而且適合于吸收深度較深的紅外波段入射光。為進(jìn)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(yùn)不是簡單的一維垂直輸運(yùn)。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(shí)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(jī)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(qiáng)較高時(shí)，對(duì)硅紅外光電晶體管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換特性的仿真需要考慮晶格自加熱效應(yīng)。計(jì)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(duì)熱電功率，n和p分別為電子和空穴準(zhǔn)費(fèi)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(jià)帶頂能級(jí)，q為基本電荷，R為復(fù)合率。

為了精確仿真自熱效應(yīng)對(duì)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(yùn)過程。非等溫能量平衡傳輸模型對(duì)漂移-擴(kuò)散模型在非等溫情況下進(jìn)行了擴(kuò)展，它考慮了晶格溫度梯度對(duì)電流密度的貢獻(xiàn)?？紤]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(shí)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(qiáng)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(duì)弱光信號(hào)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(duì)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(shí)，VCE的微小增大（＜0.3V）導(dǎo)致暗電流急劇增大。對(duì)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(diǎn)。對(duì)這一特點(diǎn)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(kuò)展外，在非光照基區(qū)一側(cè)也有一定的擴(kuò)展。CBS越低，空間電荷區(qū)在基區(qū)一側(cè)的擴(kuò)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(duì)晶體管輸出特性的影響越顯著[12]。當(dāng)VCE一定時(shí)，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(shí)，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(kuò)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(shí)，對(duì)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(duì)暗電流的影響

3.2 輸出光電流

對(duì)于硅紅外光電晶體管，要求其對(duì)于一定的光強(qiáng)，能夠輸出盡可能大的光電流，且輸出光電流與光強(qiáng)應(yīng)具有良好的線性關(guān)系，以保證光電信號(hào)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(qiáng)(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(shí)，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(duì)于CBS較高(≥5×1017cm-3)的情況，IL與 Pin具有線性關(guān)系。隨著Wb進(jìn)一步增大（≥0.6μm），對(duì)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(duì)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(kuò)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(kuò)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(duì)光電流的影響

當(dāng) Wb較窄(0.2μm)且 CBS較低(≤1×1018cm-3)時(shí)，在較小的Pin情況下，非光照基區(qū)會(huì)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(huì)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(shí)，IL隨Pin的增大逐漸進(jìn)入飽和狀態(tài)。而對(duì)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(qiáng)范圍較大，輸出信號(hào)范圍較寬。

3.3 響應(yīng)速度

對(duì)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(shí)間和關(guān)斷時(shí)間決定[14]。對(duì)于雙極型器件，由于關(guān)斷過程會(huì)受到“少子貯存”效應(yīng)的影響，關(guān)斷時(shí)間通常大于開通時(shí)間[12]。故此選取硅紅外光電晶體管的關(guān)斷時(shí)間進(jìn)行研究。圖4為仿真得到的不同CBS和Wb對(duì)NPN型硅紅外光電晶體管關(guān)斷時(shí)間的影響。在仿真過程中，初始光強(qiáng)Pin設(shè)為0.05W/cm2，Pin下降時(shí)間為1ns。由圖中可見：探測光消失后，在較短時(shí)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(shí)間越長。原因分析如下：

當(dāng)Pin較大時(shí)，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(shí)間稱為“恢復(fù)時(shí)間”）。由于在發(fā)射結(jié)兩旁儲(chǔ)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(shí)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(huì)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(jìn)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(shí)，非平衡少子數(shù)量越多，非平衡少子消失殆盡所需要的時(shí)間越長，NPN型硅紅外光電晶體管關(guān)斷時(shí)間越長。

圖4 非光照基區(qū)不同表面濃度和寬度對(duì)關(guān)斷時(shí)間的影響

4 結(jié)束語

對(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)，隨著光強(qiáng)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(qiáng)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(shí)，器件輸出光電流與光強(qiáng)具有線性關(guān)系。隨著基區(qū)寬度進(jìn)一步增大（≥0.6μm），輸出光電流均與光強(qiáng)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(jì)及器件制備提供有意義的參考信息。