红外光电晶体管非光照基区结构参数研究*

李志福，李 媛

（1.朝阳无线电元件有限责任公司，朝阳122000；2.渤海大学新能源学院，锦州121000）

1 引言

光电探测器是一种具有光生电流放大作用的器件，量子效率大于1。应用于弱光信号探测的常见光电探测器主要包括雪崩倍增光电二极管和光电晶体管。由于雪崩倍增光电二极管的放大作用是通过雪崩倍增效应实现的，通常需要在器件上施加几十伏的反向偏压[1-2]，由于几十伏的高电压在集成光电系统中难以实现，限制了雪崩光电二极管在集成光电系统中的应用。另外，雪崩光电二极管的暗电流较大，对于线性应用的偏压范围较窄，反向偏压的任何微小变化均能导致雪崩倍增光电二极管的输出特性偏离线性，使得光电信号在转换过程中出现失真。相比于雪崩倍增光电二极管，光电晶体管不需要高电压就可以实现光生电流的放大作用。硅光电晶体管也具有漏电小、性能稳定可靠、与半导体集成电路工艺兼容等优点，在光电耦合和红外探测领域得到了十分广泛的应用[3-4]。我国在光电耦合器和红外探测器系统中所使用的光电晶体管基本依赖进口[5]，因此，从事硅红外光电晶体管的研究对改善国产硅红外晶体管的技术现状具有较大意义。

截至目前，关于不同材料、结构的光电晶体管光电性能研究的文献报道较多，如：Victor Ryzhii等对应用于远红外及兆赫兹辐射领域的石墨烯纳米带光电场效应晶体管的解析模型进行了研究，利用该解析模型推导出源漏电流与光强、光频率及源漏偏压的关系式[6]。Giovanni Batignani等对应用于射线探测领域的NPN双极型光电晶体管进行设计和制备，利用两次离子注入技术制备发射区，获得了高达600倍的电流增益[7]。P.Kostov等基于180nm CMOS工艺技术设计并比较了三种不同结构的光电集成用PNP双极型光电晶体管，使用低掺杂的外延硅片作为初始衬底材料，直流最大光响应度可达65A/W[8]。虽然目前关于光电晶体管结构参数优化及电学性能研究方面的报道较多，但针对NPN型硅红外光电晶体管非光照区域结构参数对其光电性能影响的详细分析尚不多见。故此，利用TCAD半导体器件仿真软件，分析了非光照区域基区表面浓度(CBS)和基区宽度(Wb)对NPN型硅红外光电晶体管光电转换特性的影响，综合考虑非光照基区结构参数对NPN型硅红外光电晶体管暗电流、输出光电流及响应速度的影响，对非光照基区表面浓度及基区宽度进行优化。

2 NPN型硅红外光电晶体管结构参数及仿真模型选择

NPN型硅红外光电晶体管由光照区（光电二极管）和非光照区（普通双极型晶体管）两部分组成。初始硅片材料是厚度为55μm、掺杂浓度为9.193×1014cm-3、电阻率为5Ω·cm的N型外延片，晶向为<111>。外延层厚度的选取不仅保证了硅红外光电晶体管在施加集电极-发射极反向偏压时集电结空间电荷区在集电区一侧的扩展宽度，而且适合于吸收深度较深的红外波段入射光。为进一步降低硅红外光电晶体管集电极接触电阻，N+衬底采用重掺杂，电阻率为 0.003 Ω·cm，厚度为 200μm。硅红外光电晶体管横向尺寸为200μm。为减小发射结电容CBE，提高硅红外光电晶体管的截止频率，并增大光照区域面积，提高双极晶体管部分的基极注入水平，选取的发射区横向尺寸以小为宜，选为40μm。

由于所采用的发射区为非完全覆盖平面发射区，光照区域激发产生的光生载流子在硅红外光电晶体管内部的输运不是简单的一维垂直输运。因此，为减少光生载流子在由光照区域传输至非光照区域过程中的复合损耗，选择外延层中初始少子寿命为100μs。为了获得较高的红外光谱响应度，同时抑制可见光波段的响应，光照区域基区表面浓度选择为5×1019cm-3，结深选择为2.5μm。发射区采用重掺杂，表面峰值浓度为1×1020cm-3，结深为1μm。为降低特征波长（0.88μm）处的光反射率，采用厚度为240nm/130nm的SiO2/Si3N4双层减反射膜。非金属接触区表面复合速率为100cm/s。默认金属-半导体接触为理想的欧姆接触。

载流子复合主要包含三种复合机制，分别为肖克莱-里德-霍尔（SRH）复合、辐射复合及俄歇复合[9]。辐射复合属于半导体材料的本征复合，在硅中，辐射复合基本不起作用；SRH复合是通过复合中心的间接复合过程，与杂质或缺陷的数量、性质有关，通常轻掺杂半导体材料中少子寿命主要决定于SRH复合；俄歇复合与多数载流子的浓度有关，在重掺杂半导体材料中少子寿命主要决定于俄歇复合。在仿真过程中，复合模型只考虑SRH复合模型和俄歇复合模型。迁移率模型考虑了与掺杂浓度、温度、电场相关的迁移率模型。此外还考虑了重掺杂引起的禁带变窄效应和能带简并效应。

当光强较高时，对硅红外光电晶体管进行光电转换特性的仿真需要考虑晶格自加热效应。计算由自热引起的器件内部温度分布需要求解下面的热传导方程[10-11]：

其中，T是温度，c是晶格热容，k是热导率，Pn和Pp分别表示电子和空穴的绝对热电功率，n和p分别为电子和空穴准费米势，Jn和Jp分别代表电子和空穴电流密度，kB是玻尔兹曼常数，EC和EV分别表示导带底和价带顶能级，q为基本电荷，R为复合率。

为了精确仿真自热效应对硅红外光电晶体管光电转换特性的影响，选用非等温能量平衡传输模型模拟载流子的输运过程。非等温能量平衡传输模型对漂移-扩散模型在非等温情况下进行了扩展，它考虑了晶格温度梯度对电流密度的贡献。考虑晶格温度梯度影响后的电子和空穴电流密度方程如下[10-11]：

其中，n和p分别表示为电子和空穴浓度，μn和 μp分别是电子和空穴迁移率。仿真时环境温度设为25℃。入射光垂直硅红外光电晶体管上表面入射，集电极偏压为0～5V，光强变化范围为0～0.05W/cm2，探测光波长为0.88μm。假设硅红外光电晶体管左、右边界及上边界与外界均无热量交换。图1为NPN型硅红外光电晶体管二维结构示意图。

图1 NPN型硅红外光电晶体管结构

3 仿真结果与分析

3.1 输出暗电流

暗电流过大，将影响硅红外光电晶体管的信噪比，限制其对弱光信号的探测范围。图2为仿真得到的不同非光照基区表面浓度(CBS)和基区宽度(Wb)对硅红外光电晶体管暗电流的影响。由图中可见：CBS越低，Wb越窄，随着集电极偏压（VCE）的增大，暗电流增大越迅速。当Wb较窄（0.2μm）且CBS较低（≤1×1018cm-3）时，VCE的微小增大（＜0.3V）导致暗电流急剧增大。对于Wb=0.4μm，CBS=1×1017cm-3的情况，暗电流曲线也呈现上述类似的变化特点。对这一特点的成因可作如下分析：

VCE使得集电结空间电荷区除了在集电区一侧扩展外，在非光照基区一侧也有一定的扩展。CBS越低，空间电荷区在基区一侧的扩展宽度越大，有效基区宽度就越窄。Wb越窄，有效基区宽度的减小对晶体管输出特性的影响越显著[12]。当VCE一定时，有效基区宽度越窄，输出暗电流越大。当CBS较低且Wb较窄时，较小的VCE便可使得基区一侧的集电结空间电荷区扩展临近发射结边缘，极易发生“基区穿通”现象，导致随VCE的增大，硅红外光电晶体管暗电流急剧增大。当Wb较宽（≥0.6μm）且VCE在0～5V范围内变化时，对于具有不同CBS的硅红外光电晶体管，暗电流均可被限制在4×10-12A/μm以内。

图2 非光照基区不同表面浓度和宽度对暗电流的影响

3.2 输出光电流

对于硅红外光电晶体管，要求其对于一定的光强，能够输出尽可能大的光电流，且输出光电流与光强应具有良好的线性关系，以保证光电信号转换过程中不失真。图3为仿真得到的在不同的CBS和Wb的条件下，输出光电流（IL）随光强(Pin)的变化。在仿真过程中，VCE为5V。由图中可见：在VCE一定的情况下，当 Wb较窄(0.2μm)且 CBS较低(≤1×1018cm-3)时，随着Pin的增大，IL先迅速增大，而后增大趋势变缓，逐渐趋于饱和状态。CBS越低，IL趋于饱和状态的临界Pin越低。随着Wb增大(0.4μm)，对于CBS较高(≥5×1017cm-3)的情况，IL与 Pin具有线性关系。随着Wb进一步增大（≥0.6μm），对于具有不同 CBS的硅红外光电晶体管，IL均与Pin呈线性关系。对其成因分析如下：

IL的产生是由于光照区域与非光照区域存在空穴浓度梯度，导致空穴由光照区域向非光照基区扩散，降低了非光照基区的势垒高度，引起发射区注入更多的电子。Wb越小，非光照区域与光照区域空穴浓度梯度越大，扩散到非光照基区的空穴越多，非光照基区势垒降低越明显，IL越大。

图3 非光照基区不同表面浓度和宽度对光电流的影响

当 Wb较窄(0.2μm)且 CBS较低(≤1×1018cm-3)时，在较小的Pin情况下，非光照基区会受到“大注入效应”的显著影响[13]，即非光照基区电导率会受到电导调制效应的影响而增大。Pin越大、Wb越窄、CBS越低，电导调制效应越显著。因此，当Wb较窄且CBS较低时，IL随Pin的增大逐渐进入饱和状态。而对于Wb较宽(≥0.6μm)的情况，基区电导调制效应不明显。在不同的Pin情况下，具有不同CBS的硅红外光电晶体管，IL与Pin呈线性关系。表明Wb较宽的硅红外光电晶体管，其可探测的光强范围较大，输出信号范围较宽。

3.3 响应速度

对于NPN型硅红外光电晶体管，要求其具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统。响应速度由器件开通时间和关断时间决定[14]。对于双极型器件，由于关断过程会受到“少子贮存”效应的影响，关断时间通常大于开通时间[12]。故此选取硅红外光电晶体管的关断时间进行研究。图4为仿真得到的不同CBS和Wb对NPN型硅红外光电晶体管关断时间的影响。在仿真过程中，初始光强Pin设为0.05W/cm2，Pin下降时间为1ns。由图中可见：探测光消失后，在较短时间内，输出光电流几乎保持不变。随后输出光电流逐渐下降到稳定值（集电极-发射极反向饱和暗电流ICEO），NPN型硅红外光电晶体管完全关断。Wb越窄、CBS越低，关断时间越长。原因分析如下：

当Pin较大时，在硅红外光电晶体管导通情况下，Wb越窄、CBS越低，硅红外光电晶体管在非光照基区和集电区中积累的载流子数量越多。探测光消失后，积累在非光照基区和集电区的大量载流子需要通过复合消失才可以恢复到导通前的初始状态（该段时间称为“恢复时间”）。由于在发射结两旁储存有较多的非平衡少数载流子，即使探测光消失后，在较短时间内发射结仍将保持正偏，输出光电流几乎保持不变。发射结两侧积累的过剩少数载流子会由于复合损耗逐渐消失，当发射结不满足正偏条件后，NPN型硅红外光电晶体管将由导通状态进入关断状态，内部的非平衡少数载流子逐渐复合消失，输出光电流逐渐下降到稳定值。当少子寿命一定时，非平衡少子数量越多，非平衡少子消失殆尽所需要的时间越长，NPN型硅红外光电晶体管关断时间越长。

图4 非光照基区不同表面浓度和宽度对关断时间的影响

4 结束语

对非光照基区表面浓度及基区宽度的选择，应综合考虑其对NPN型红外硅光电晶体管暗电流、光生电流及响应速度的影响。非光照基区表面浓度越小，基区宽度越窄，在相同的集电极反向偏压下，NPN型红外硅光电晶体管暗电流越大。当非光照基区宽度Wb≥0.6μm时，红外硅光电晶体管可在较大的集电极反向偏压范围内工作，适合低功耗应用；在集电极反向偏压一定的情况下，当非光照基区宽度较窄 (0.2μm)且表面浓度较低 (≤1×1018cm-3)时，随着光强的增大，器件输出光电流先迅速增大，然后增大趋势变缓，逐渐趋于饱和状态。基区表面浓度越低，输出光电流趋于饱和状态的临界光强越小。随着基区宽度的增大 (0.4μm)，当基区表面浓度CBS≥5×1017cm-3时，器件输出光电流与光强具有线性关系。随着基区宽度进一步增大（≥0.6μm），输出光电流均与光强呈线性关系；提高非均匀基区表面浓度，增大基区宽度虽然不利于器件输出光电流的提高，但却有利于响应速度的改善。所得仿真结果可为NPN型红外硅光电晶体管结构参数设计及器件制备提供有意义的参考信息。