丁传鹏,周 泉,陆逢阳,王宝续,常玉春

(吉林大学 电子科学与工程学院,长春 130012)

0 引 言

探测器[1,2]技术是现代科技领域的高端前沿技术,其中光电探测是探测器技术的一个重要分支。宽动态范围和高响应率的光电探测器,由于在高精度加工和测量、高速摄像及飞行追踪、高质量数码照相机、全自动显像仪以及人造视网膜等方面的巨大应用前景,一直受到了科技领域的广泛重视[3,4]。

目前广泛应用的探测器是PIN(Positive Intrinsic Negative)光电二极管[5-8]、雪崩光电二极管APDs(Avalanche Photodiodes)[9-11]和光电晶体管[12,13]。PIN光电二极管的本征区很宽,有较长的光吸收区域和较快的响应时间,但由于其没有内部增益,导致在弱光下的响应率非常不理想,限制了应用； 雪崩光电二极管有内部增益,但由于雪崩效应导致噪声过大,并且工作电压过高,不适用于低噪声和低电压工作； 传统的光电晶体管有内增益且噪声不大,但在入射光强减弱时,信噪比将会变差。

一种穿通增强型硅光电晶体管(PEP：Punchthrough Enhanced Phototransistors)[14,15]克服了以上各种常用光电探测器件的缺点,暗电流较低,在弱光下具有106光电转换增益,响应光强范围宽达140 dB,1 V左右达到穿通,适用于制造1.8 V低电压工作光电探测器,性能指标优越。笔者基于该穿通增强型硅光电晶体管的工作机理,提出一种改进结构,以进一步提高器件整体工作性能。然后对改进后模型进行二维模拟仿真,对决定器件性能的重要参数窄基区宽度进行优化设计。分析仿真结果,为器件确定一组最优参数。最后根据所确定的模型结构及参数,对器件在大范围光强下的光生电流特性及响应率特性进行了深入研究。

1 结构优化

穿通增强型硅光电晶体管由一个宽基区NPN(Negative Positive Negative)型光电晶体管和一个窄基区NPN型穿通晶体管横向复合而成,两晶体管发射极和集电极分别相连,引出两个工作电极。两电极之间的低掺杂浓度衬底作为基极,悬空不接电位。器件工作时,发射极与集电极之间接偏压VCE。只有宽基区接受光照,由于宽基区较宽,没有达到穿通,不考虑其对整体器件的电流贡献。宽基区内部由于光吸收而产生了大量光生载流子,其中产生的光生电子很快被扫入集电极,而由于势垒的作用,空穴将在宽基区中累积。同时,由于窄基区宽度较窄,在一定偏压下,很快达到穿通状态,其中的载流子基本耗尽。所以,宽、窄基区的空穴浓度会存在一个梯度,这个梯度将导致宽基区的空穴向窄基区扩散,从而增大窄基区的空穴浓度,进而导致发射极发射注入电子增加,达到扩大光生电流的效果。以上就是穿通增强型硅光电晶体管的基本工作原理。

图1 器件的二维模型结构图

在传统穿通增强型硅光电晶体管中,两个基区宽度不同的晶体管是横向连接在一起的。为更多地吸收光子产生光生载流子,宽基区的长度往往设计得较大,导致处于宽基区中离窄基区较远的位置积累的光生空穴由于较大的扩散距离,很难完全扩散至窄基区中,从而影响了器件的光电转换效应。考虑到以上传统穿通增强型硅光电晶体管结构中宽基区无法完全发挥功能的限制,将传统器件结构进行如下改进,在窄基区穿通晶体管两侧各复合一个基区长度减半的宽基区光电晶体管,使器件由3个晶体管横向复合而成,具体结构如图1所示。光照时,这两部分宽基区光电晶体管接受光照并产生光生载流子,在器件总长度和传统穿通增强型硅光电晶体管相同的情况下,改进后的结构中由两侧宽基区中的光生空穴同时扩散到中间窄基区中,横向扩散距离都较小。使光生载流子在扩散的过程中被复合的几率大大降低,从而增大了到达窄基区的光生空穴的数量,并且有两部分光生空穴同时向窄基区中扩散,相比传统器件只有单侧光生空穴扩散,这种双侧扩散结构的效率可以提高一倍,在增大响应率的同时,响应时间也会相应缩短。

对优化后的器件结构进行模拟仿真,建立一个二维仿真模型(见图1)。Ⅰ区域为n(negative)型重掺杂的有源区,Ⅱ区域表示p(positive)型轻掺杂的基区。可以明显看出,整个器件由基区宽度不同的3个晶体管横向复合而成,3个晶体管的集电极和发射极分别相连,基区悬空,只有宽基区部分接受光照。图1中的红色线段表示入射光,箭头代表入射方向。基区中的曲线为外加偏压VCE为1 V时的势垒轮廓线,可看出,这时窄基区已经完全穿通,而两个宽基区还没有达到穿通,存在中性区域。

2 参数优化

穿通增强型硅光电晶体管的结构参数包括窄基区宽度、宽基区宽度、有源区宽度、窄基区长度、宽基区长度和衬底掺杂浓度等,而工艺一旦确定,衬底掺杂浓度将无法改变,并且宽、窄基区的长度对器件的穿通影响甚微。又由于宽基区宽度较大,导致宽基区部分不易达到穿通,只有窄基区的宽度对器件的穿通性能有显著影响,因而只将窄基区宽度作为优化参数。固定器件整体尺寸为3 μm×2 μm,两个宽基区的长度为0.6 μm,窄基区长度为1.2 μm,宽基区宽度(WB:Wide Base)选定为1.8 μm,窄基区宽度(NB:Narrow Base)从0.4 μm变化至0.8 μm,对器件暗电流、光生电流及响应率进行仿真并分析比较后选择最佳尺寸。

2.1 窄基区宽度对暗电流的影响

图2 不同窄基区宽度下暗电流随偏压变化的仿真结果

暗电流是光电探测器重要的性能指标,暗电流过大,影响器件的信噪比,限制弱光探测范围。

图2为改进后的穿通增强型硅光电晶体管在不同窄基区宽度情况下暗电流随偏压变化的仿真结果。窄基区宽度依次取值0.4 μm,0.5 μm,0.6 μm,0.7 μm,0.8 μm。

由仿真曲线可知,在窄基区宽度一定情况下,改进的器件结构在集电极电压由0增大到3 V的过程中,暗电流随之增大。而在一定偏压下,随着窄基区宽度的减小,暗电流明显增加。在窄基区宽度为0.4 μm时,器件偏压达到0.5 V,暗电流已经超过50 μA,过窄的基区导致穿通过早,这种尺寸的器件暗电流过大,不适合应用； 而窄基区宽度大于0.6 μm、器件偏压低于0.5 V时,暗电流可限制在1 μA以内,这种较低偏压下暗电流小的特性,可用来实现低工作电压的光电探测器,适合低功耗应用。

2.2 窄基区宽度对光生电流的影响

器件在光照条件下产生的光生电流大小以及器件的光电响应率是区分光电器件性能的重要指标,响应率越高说明器件的光电转换性能越好,在综合考虑其他性能参数的同时,得到高响应率的结构是光电探测器设计过程中最重要的工作。

图3 不同窄基区宽度下光生电流随偏压变化的仿真结果

图3为光强在10-6W/cm2时,对不同结构参数的器件进行光生电流随偏压变化的仿真结果,窄基区宽度依次取值0.4 μm,0.5 μm,0.6μm,0.7 μm,0.8 μm。

由仿真曲线可看出,光强一定的条件下,在偏压由0增加到3 V的过程中,光生电流在偏压达到1 V之前迅速增大,之后增加趋势变缓,最终光生电流随偏压的变化达到饱和； 在同一偏压下,随着窄基区的宽度减小,光生电流增大,且较低偏压时,窄基区宽度对光生电流的影响比较显著。

下面分析窄基区宽度对光生电流的影响。首先,光生电流的产生是由于宽窄基区存在的空穴浓度梯度,进而导致宽基区向窄基区扩散空穴,降低窄基区势垒高度,引起发射结发射更多的电子。窄基区的宽度直接影响器件的穿通性能,窄基区越宽,穿通越弱,势垒降低越小,宽窄基区浓度梯度越小,所以扩散到窄基区的空穴较少,进而光生电流较低； 而窄基区越窄,穿通越明显,势垒降低越大,导致两基区浓度梯度越大,使扩散到窄基区的空穴较多,所以,会产生较大的光生电流。要指出的是,在较大偏压下,不同宽度的窄基区都容易达到穿通,载流子完全耗尽,因而窄基区宽度的影响并不明显； 而在较低偏压下,窄基区的耗尽程度就会很大程度地受到窄基区宽度的影响。由图3可看到,较低偏压下,几条曲线随窄基区的宽度变化较明显。

总之,窄基区宽度越小,同一偏压下的光生电流越大,然而较小的窄基区宽度也使器件暗电流很大,因此对于该尺寸要折中考虑。

2.3 窄基区宽度对光电响应率的影响

光电晶体管的响应率R是光电探测器件输出信号与输入光功率之间关系的度量,标志着光电探测器的光电转换效能。具体定义为探测器输出光生电流Iphoto与入射光功率Pin之比。即

R=Iphoto/Pin

(1)

图4 不同窄基区宽度下光电响应率随偏压变化的仿真结果

图4为不同窄基区宽度下光电响应率随偏压变化的仿真结果。由仿真曲线可看出,在窄基区宽度一定的情况下,随着偏压增大,响应率先增大,在到达最高点后有不同程度的减小。在窄基区宽度较小的情况下,如取值0.4 μm、0.5 μm时,在较低的偏压下,响应率高于106A/W。而当基区宽度取值0.8 μm时,只有当偏压高于1.4 V时,才能获得大于106A/W的响应率。

同理,窄基区宽度对响应率的影响也表现在对穿通程度的控制上。窄基区宽度小的器件,由于较易发生穿通,在偏压略有增大时,可达到穿通状态。这时宽基区部分由于光吸收产生的光生空穴大量扩散到窄基区,使电流有了明显增大,响应率有了显著提高。当器件窄基区宽度较大时,偏压增大时窄基区载流子的耗尽较慢,需要达到一定偏压才能达到穿通状态,电流也需到增大到一定偏下才会有明显的增加,从而导致响应率在较大偏压下才能得到106A/W响应率。

综合以上对器件暗电流、光生电流及响应率的仿真结果,总结器件参数的优化结果。选择窄基区宽度为0.4 μm的器件结构,在一定偏压下可以得到接近107A/W的高响应率,但窄基区宽度过小导致暗电流过大。而较宽的窄基区如0.8 μm,在相同偏压下,可以获得最低的暗电流,然而光生电流和响应率相对较小的窄基区都不同程度地降低。综合考虑以上几种因素,折中选取窄基区尺寸为0.6 μm,既得到较大光生电流及高响应率又限制暗电流在可接受的范围内。

3 研究器件在不同光强下的响应特性

基于以上对窄基区宽度的优化仿真,最终确定窄基区宽度的最优值为0.6 μm。其余参数不变,下面进一步仿真并分析优化器件在不同光强下的响应特性。

图5为优化后的器件在不同光强下的光生电流随偏压的变化关系。如前所述,在窄基区宽度一定情况下,偏压较低时,光生电流就达到饱和,之后随偏压的变化并不明显。然而光生电流随光强变化很大,光强越大,光生电流越大。当光强变化范围从10-9W/cm2～10-1W/cm2时,光生电流变化从10-10A/μm增加至10-5A/μm,增大了近5个数量级。同时,在强光下,光生电流也没有达到饱和,说明器件可探测光强范围极大,输出信号范围宽。

图6为不同入射光强度下光电响应率随偏压变化的仿真结果。总体来说,对于参数优化后的器件,当偏压增大到一定程度时,光响应率将不再随偏压变化。而在一定偏压下,响应率随光强变化而变化,然而这种趋势在弱光下并不明显。如图6所示,当光强低于10-4W/cm2时,响应率趋于饱和,高达5.6×107A/W。而随着光强增大,响应率降低,然而当光强高达10-1W/cm2时,器件响应率仍然大于103A/W。相比于传统光电探测器,该优化器件具有更高的响应率,响应光强范围大,非常适合宽动态范围图像传感器应用。

图5 不同入射光强度下光生电流随偏压变化的仿真结果 图6 不同入射光强度下光电响应率随偏压变化的仿真结果

4 结 语

笔者针对传统的穿通增强型硅光电晶体管的结构和参数进行优化。结构上模拟构建了二维模型,将窄基区穿通晶体管仅在一侧与宽基区光电晶体管复合改进为窄基区穿通晶体管在中间,两侧各复合一个长度减半的宽基区光电晶体管。在不同窄基区宽度下对暗电流、光生电流及光电响应率等随偏压变化的电学性能和光电转换特性进行仿真,经过比较分析所得仿真结果,总结窄基区宽度的变化对器件性能的影响,最终得到了器件性能折中达到最优的具体参数,即窄基区宽度为0.6 μm； 最后,对优化后的器件在不同光强下的光生电流和光电响应率随偏压的变化进行仿真,分析了器件在不同光强下的响应特性。在窄基区宽度为0.6 μm的参数条件下,偏压为0.5 V时,暗电流仅为1 μA,当入射光功率密度为10-7W/cm2时,器件响应率高达4×106A/W,并且响应光强范围非常大。

参考文献：

[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]解天骄,郭文滨,阮圣平.基于Pt电极的TiO2紫外探测器研究[J].吉林大学学报：信息科学版,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]黄敏敏,朱兴龙.硅光电探测器的发展与应用[J].机械工程与自动化,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]富容国,常本康,钱芸生.PIN光电二极管探测器响应特性测试[J].光学与光电技术,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]张燕,曾光宇,洪志刚.硅PIN光电二极管探测系统的研究[J].核电子学与探测技术,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]宋海兰,黄辉,崔海林.InGaAs/Si雪崩光电二极管[J].半导体光电,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]詹玉书,任军,谭胜斌.用雪崩光电二极管进行光电外差检测的研究[J].西安电子科技大学学报,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,陈治明.4H-SiC紫外光光电晶体管模拟与分析[J].西安理工大学学报,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]阎凤章,李国辉,韩卫.穿通型光电晶体管的直流特性测试[J].北京师范大学学报:自然科学版,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.