丁傳鵬,周 泉,陸逢陽(yáng),王寶續(xù),常玉春

(吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

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

目前廣泛應(yīng)用的探測(cè)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(zhǎng)的光吸收區(qū)域和較快的響應(yīng)時(shí)間,但由于其沒有內(nèi)部增益,導(dǎo)致在弱光下的響應(yīng)率非常不理想,限制了應(yīng)用； 雪崩光電二極管有內(nèi)部增益,但由于雪崩效應(yīng)導(dǎo)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(qiáng)減弱時(shí),信噪比將會(huì)變差。

一種穿通增強(qiáng)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(cè)器件的缺點(diǎn),暗電流較低,在弱光下具有106光電轉(zhuǎn)換增益,響應(yīng)光強(qiáng)范圍寬達(dá)140 dB,1 V左右達(dá)到穿通,適用于制造1.8 V低電壓工作光電探測(cè)器,性能指標(biāo)優(yōu)越。筆者基于該穿通增強(qiáng)型硅光電晶體管的工作機(jī)理,提出一種改進(jìn)結(jié)構(gòu),以進(jìn)一步提高器件整體工作性能。然后對(duì)改進(jìn)后模型進(jìn)行二維模擬仿真,對(duì)決定器件性能的重要參數(shù)窄基區(qū)寬度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。分析仿真結(jié)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(jié)構(gòu)及參數(shù),對(duì)器件在大范圍光強(qiáng)下的光生電流特性及響應(yīng)率特性進(jìn)行了深入研究。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

穿通增強(qiáng)型硅光電晶體管由一個(gè)寬基區(qū)NPN(Negative Positive Negative)型光電晶體管和一個(gè)窄基區(qū)NPN型穿通晶體管橫向復(fù)合而成,兩晶體管發(fā)射極和集電極分別相連,引出兩個(gè)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(shí),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(dá)到穿通,不考慮其對(duì)整體器件的電流貢獻(xiàn)。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(shì)壘的作用,空穴將在寬基區(qū)中累積。同時(shí),由于窄基區(qū)寬度較窄,在一定偏壓下,很快達(dá)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(huì)存在一個(gè)梯度,這個(gè)梯度將導(dǎo)致寬基區(qū)的空穴向窄基區(qū)擴(kuò)散,從而增大窄基區(qū)的空穴濃度,進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)射極發(fā)射注入電子增加,達(dá)到擴(kuò)大光生電流的效果。以上就是穿通增強(qiáng)型硅光電晶體管的基本工作原理。

圖1 器件的二維模型結(jié)構(gòu)圖

在傳統(tǒng)穿通增強(qiáng)型硅光電晶體管中,兩個(gè)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(zhǎng)度往往設(shè)計(jì)得較大,導(dǎo)致處于寬基區(qū)中離窄基區(qū)較遠(yuǎn)的位置積累的光生空穴由于較大的擴(kuò)散距離,很難完全擴(kuò)散至窄基區(qū)中,從而影響了器件的光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)?？紤]到以上傳統(tǒng)穿通增強(qiáng)型硅光電晶體管結(jié)構(gòu)中寬基區(qū)無法完全發(fā)揮功能的限制,將傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下改進(jìn),在窄基區(qū)穿通晶體管兩側(cè)各復(fù)合一個(gè)基區(qū)長(zhǎng)度減半的寬基區(qū)光電晶體管,使器件由3個(gè)晶體管橫向復(fù)合而成,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。光照時(shí),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(zhǎng)度和傳統(tǒng)穿通增強(qiáng)型硅光電晶體管相同的情況下,改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)中由兩側(cè)寬基區(qū)中的光生空穴同時(shí)擴(kuò)散到中間窄基區(qū)中,橫向擴(kuò)散距離都較小。使光生載流子在擴(kuò)散的過程中被復(fù)合的幾率大大降低,從而增大了到達(dá)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(shí)向窄基區(qū)中擴(kuò)散,相比傳統(tǒng)器件只有單側(cè)光生空穴擴(kuò)散,這種雙側(cè)擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的效率可以提高一倍,在增大響應(yīng)率的同時(shí),響應(yīng)時(shí)間也會(huì)相應(yīng)縮短。

對(duì)優(yōu)化后的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真,建立一個(gè)二維仿真模型(見圖1)。Ⅰ區(qū)域?yàn)閚(negative)型重?fù)诫s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(gè)器件由基區(qū)寬度不同的3個(gè)晶體管橫向復(fù)合而成,3個(gè)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(shí)的勢(shì)壘輪廓線,可看出,這時(shí)窄基區(qū)已經(jīng)完全穿通,而兩個(gè)寬基區(qū)還沒有達(dá)到穿通,存在中性區(qū)域。

2 參數(shù)優(yōu)化

穿通增強(qiáng)型硅光電晶體管的結(jié)構(gòu)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(zhǎng)度、寬基區(qū)長(zhǎng)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(zhǎng)度對(duì)器件的穿通影響甚微。又由于寬基區(qū)寬度較大,導(dǎo)致寬基區(qū)部分不易達(dá)到穿通,只有窄基區(qū)的寬度對(duì)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(gè)寬基區(qū)的長(zhǎng)度為0.6 μm,窄基區(qū)長(zhǎng)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(duì)器件暗電流、光生電流及響應(yīng)率進(jìn)行仿真并分析比較后選擇最佳尺寸。

2.1 窄基區(qū)寬度對(duì)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(jié)果

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

圖2為改進(jìn)后的穿通增強(qiáng)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(jié)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(jìn)的器件結(jié)構(gòu)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(shí),器件偏壓達(dá)到0.5 V,暗電流已經(jīng)超過50 μA,過窄的基區(qū)導(dǎo)致穿通過早,這種尺寸的器件暗電流過大,不適合應(yīng)用； 而窄基區(qū)寬度大于0.6 μm、器件偏壓低于0.5 V時(shí),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(shí)現(xiàn)低工作電壓的光電探測(cè)器,適合低功耗應(yīng)用。

2.2 窄基區(qū)寬度對(duì)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(yīng)率是區(qū)分光電器件性能的重要指標(biāo),響應(yīng)率越高說明器件的光電轉(zhuǎn)換性能越好,在綜合考慮其他性能參數(shù)的同時(shí),得到高響應(yīng)率的結(jié)構(gòu)是光電探測(cè)器設(shè)計(jì)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(jié)果

圖3為光強(qiáng)在10-6W/cm2時(shí),對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的器件進(jìn)行光生電流隨偏壓變化的仿真結(jié)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(qiáng)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(dá)到1 V之前迅速增大,之后增加趨勢(shì)變緩,最終光生電流隨偏壓的變化達(dá)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(shí),窄基區(qū)寬度對(duì)光生電流的影響比較顯著。

下面分析窄基區(qū)寬度對(duì)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(jìn)而導(dǎo)致寬基區(qū)向窄基區(qū)擴(kuò)散空穴,降低窄基區(qū)勢(shì)壘高度,引起發(fā)射結(jié)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(shì)壘降低越小,寬窄基區(qū)濃度梯度越小,所以擴(kuò)散到窄基區(qū)的空穴較少,進(jìn)而光生電流較低； 而窄基區(qū)越窄,穿通越明顯,勢(shì)壘降低越大,導(dǎo)致兩基區(qū)濃度梯度越大,使擴(kuò)散到窄基區(qū)的空穴較多,所以,會(huì)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(dá)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(huì)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(duì)于該尺寸要折中考慮。

2.3 窄基區(qū)寬度對(duì)光電響應(yīng)率的影響

光電晶體管的響應(yīng)率R是光電探測(cè)器件輸出信號(hào)與輸入光功率之間關(guān)系的度量,標(biāo)志著光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換效能。具體定義為探測(cè)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(yīng)率隨偏壓變化的仿真結(jié)果

圖4為不同窄基區(qū)寬度下光電響應(yīng)率隨偏壓變化的仿真結(jié)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(yīng)率先增大,在到達(dá)最高點(diǎn)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(shí),在較低的偏壓下,響應(yīng)率高于106A/W。而當(dāng)基區(qū)寬度取值0.8 μm時(shí),只有當(dāng)偏壓高于1.4 V時(shí),才能獲得大于106A/W的響應(yīng)率。

同理,窄基區(qū)寬度對(duì)響應(yīng)率的影響也表現(xiàn)在對(duì)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(shí),可達(dá)到穿通狀態(tài)。這時(shí)寬基區(qū)部分由于光吸收產(chǎn)生的光生空穴大量擴(kuò)散到窄基區(qū),使電流有了明顯增大,響應(yīng)率有了顯著提高。當(dāng)器件窄基區(qū)寬度較大時(shí),偏壓增大時(shí)窄基區(qū)載流子的耗盡較慢,需要達(dá)到一定偏壓才能達(dá)到穿通狀態(tài),電流也需到增大到一定偏下才會(huì)有明顯的增加,從而導(dǎo)致響應(yīng)率在較大偏壓下才能得到106A/W響應(yīng)率。

綜合以上對(duì)器件暗電流、光生電流及響應(yīng)率的仿真結(jié)果,總結(jié)器件參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果。選擇窄基區(qū)寬度為0.4 μm的器件結(jié)構(gòu),在一定偏壓下可以得到接近107A/W的高響應(yīng)率,但窄基區(qū)寬度過小導(dǎo)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(yīng)率相對(duì)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(yīng)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(qiáng)下的響應(yīng)特性

基于以上對(duì)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(jìn)一步仿真并分析優(yōu)化器件在不同光強(qiáng)下的響應(yīng)特性。

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

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

圖5 不同入射光強(qiáng)度下光生電流隨偏壓變化的仿真結(jié)果 圖6 不同入射光強(qiáng)度下光電響應(yīng)率隨偏壓變化的仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

筆者針對(duì)傳統(tǒng)的穿通增強(qiáng)型硅光電晶體管的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)上模擬構(gòu)建了二維模型,將窄基區(qū)穿通晶體管僅在一側(cè)與寬基區(qū)光電晶體管復(fù)合改進(jìn)為窄基區(qū)穿通晶體管在中間,兩側(cè)各復(fù)合一個(gè)長(zhǎng)度減半的寬基區(qū)光電晶體管。在不同窄基區(qū)寬度下對(duì)暗電流、光生電流及光電響應(yīng)率等隨偏壓變化的電學(xué)性能和光電轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行仿真,經(jīng)過比較分析所得仿真結(jié)果,總結(jié)窄基區(qū)寬度的變化對(duì)器件性能的影響,最終得到了器件性能折中達(dá)到最優(yōu)的具體參數(shù),即窄基區(qū)寬度為0.6 μm； 最后,對(duì)優(yōu)化后的器件在不同光強(qiáng)下的光生電流和光電響應(yīng)率隨偏壓的變化進(jìn)行仿真,分析了器件在不同光強(qiáng)下的響應(yīng)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(shí),暗電流僅為1 μA,當(dāng)入射光功率密度為10-7W/cm2時(shí),器件響應(yīng)率高達(dá)4×106A/W,并且響應(yīng)光強(qiáng)范圍非常大。

參考文獻(xiàn)：

[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(cè)器研究[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)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(cè)器的發(fā)展與應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)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(guó),常本康,錢蕓生.PIN光電二極管探測(cè)器響應(yīng)特性測(cè)試[J].光學(xué)與光電技術(shù),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(cè)系統(tǒng)的研究[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),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(dǎo)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(jìn)行光電外差檢測(cè)的研究[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),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(xué)學(xué)報(bào),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(guó)輝,韓衛(wèi).穿通型光電晶體管的直流特性測(cè)試[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)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.