異質結光晶體管(HPT)的設計

吳雯倩

(天津現代職業技術學院 天津 300350)

異質結光晶體管(Heterojunction Phototransistor，HPT)作為一種光電探測器件，擁有較高的光增益和系統性噪比，較小的暗電流(無光照時流經晶體管的電流)，以及較寬的 3,DB響應寬度，其前置放大也更易于實現。

目前光晶體管的主要性能是光增益和帶寬。而影響帶寬的主要因素是載流子的渡越時間，即電極間距，同時在一定的程度上還與基區的厚度有關，為達到增加帶寬的目的，電極間距和基區厚度應盡可能設計得小一些。但反過來，為得到高的量子效率，又需要電極間距和吸收層厚度大一點，所以實際設計時應根據需要折衷考慮。窗口面積的大小與渡越時間和量子效率沒有直接關系，但要考慮到面積大了以后，異質結光晶體管總的結電容大了，RC時間常數也會增大，所以面積的設計應以有利于耦合為限。因此異質結光晶體管的層結構和器件的橫向結構的總體設計思想是在保證所需要的帶寬的情況下，盡量提高光增益，并有利于工藝實現和耦合封裝。筆者將異質結光晶體管的材料和器件結構的設計思路敘述如下：

1 材料層結構和參數

整個外延層是在半絕緣的 N＋InP＜100方向＞襯底上進行的。為阻止襯底雜質向集電區和基區擴散，影響集電區和基區載流子的漂移速度，我們在集電區下方引入了高阻和寬禁帶的N-InP緩沖層，厚底應足夠，視外延條件應以 5,μm 為宜。基區和集電區的厚度設計有講究，厚一點有利于提高器件的光增益，但由于遠離電極的地方電場強度降低，器件的響應速度會隨著降低；太薄了正好相反。由于 InP的禁帶寬度較寬，1.330～1.550,μm 的光幾乎可以全部通過InP發射區照射在基區上，所以基區和集電區采用了禁帶寬度較小，光吸收系數比較好的In0.53,Ga0.47,As，又由于這種材料在入射光λ＝1.3,μm時，穿透厚度為0.87,μm，在入射光λ＝1.55,μm時，穿透厚度略為 1.47,μm，因此集電區和基區合起來取其厚度為 3.5,μm，可以保證吸收的入射光的比例接近95%(不考慮電極的影響)。最后我們在發射區上方引入了 N＋In0.53,Ga0.47,As吸收層，由于其禁帶寬度高于基區和集電區材料的禁帶寬度，這就引入了一個附加勢壘，從而阻止空穴從基區注入發射區，但不影響從發射區來的電子注入基區。

1.1 窗口面積

窗口面積的選擇原則是方便實際應用中的光耦合。一般單模光纖的纖芯為 5,μm，多模光纖的纖芯為 50,μm 或 62.5,μm。為方便多模光纖的耦合，我們將窗口面積設計為80,μm×80,μm。

1.2 電極尺寸

為提高光增益，理想情況下，電極的寬度和間距之比W/S應盡量小，即W盡量小，S盡量大。但實際情況下線寬 W 的設計受工藝水平的限制。S太大又會增加載流子的渡越時間，影響晶體管的高頻性能，所以應根據工藝水平和設計帶寬進行綜合考慮。考慮到在目前的工藝水平下，最小線寬為1,μm，同時為保證電極的完整性和成品率，將電極寬度設計得寬容一點，定為 1.5,μm。間距的確定依據是渡越時間。電極間距應不大于 4,μm，這里我們設計為 3.5,μm。為了提高異質結基區注入比，我們對基區還進行了輕摻雜。綜合考慮，我們將基區厚度設計為 0.5,μm，p型輕摻雜，摻雜濃度為 5×1016,cm-3。對集電區，我們設計為 3,μm，太厚會增大響應時間，n型，摻雜濃度為1×1016,cm-3。發射區，厚度設計為 2,μm，n型，為了提高基區注入比，我們對發射區進行重摻雜，摻雜濃度為 1.5×1017,cm-3。窗口面積為 80,μm×80,μm。但總的說來，任何一種設計都要以自己的工藝為基礎。這些設計參數是否合適，還需要研究結果檢驗。

由于我們是采用In0.53,Ga0.47,As/InP異質結，所以使用了目前國際上比較先進的分束子外延(Molecular Beam Epitaxy，即 MBE)技術來制備異質結，因為這種生長技術可以制造出高質量的異質結構，其設計的勢能輪廓和雜質分布，精度可以控制到接近原子距離，并且對于晶格匹配的 In0.53,Ga0.47,As/InP異質結構，具有實際上沒有缺陷的界面。中國科學院上海冶金所可以進行GSMBE技術異質結的制備。

2 工藝過程

異質結晶體管(見圖 1)的制造過程完全與典型的晶體管制造過程兼容，下面是主要的工藝流程。該器件采用了臺面式。首先在摻 Sn(5×1018,cm-3)的N+InP襯底上作分子外延束(MBE)生長，先生長5,μm厚摻Sn(5×1016,cm-3)的 N-InP緩沖層，隨后生長 3,μm 厚摻 Sn(1×1016,cm-3)的 In0.53,Ga0.47,As n 型集電區，接著生長 0.5,μm 厚摻 Cd(5×1016,cm-3)的In0.53,Ga0.47,As p型基區，再生長 2,μm 厚摻 Sn(5×1017,cm-3)的 InP n型發射區，最后是吸收層，2,μm 厚摻 Sn(5×1018,cm-3)的 N+In0.53,Ga0.47,As。接下來是器件的臺面隔離，將晶體管的臺面利用H3,PO4與H2,O2系腐蝕液腐蝕到緩沖層，然后對整個做好圖形的片子作表面處理，包括有機溶濟的清洗和等離子體的清洗，用稀 HCl去除表面氧化層，接著等離子體增強化學氣相淀積(PECVD)4,500,?的SiO2。SiO2在這里既作為輔助剝離介質，又充當了有源區的表面保護層，避免了工藝過程中的表面損傷和沾污。接下來用接觸式化學光刻的辦法刻出歐姆電極，用反應離子刻蝕(RIE)的方法刻蝕掉窗口處的 SiO2，形成窗口。在歐姆金屬Au-Sn蒸發之前，先用很慢的H3,PO4與H2,O2系腐蝕液處理，再用等離子體和去離子水清洗表面，N2氣氛中烘干。由于聚酰亞胺(PI)有良好的熱穩定性、耐化學腐蝕和特有的流平性，在完成器件的歐姆接觸電極之后，在表面涂一層聚酰亞胺(PI)作表面保護，同時作為平坦化介質和金屬引線壓焊點處金屬的隔離介質。用光刻的方法刻蝕掉表面光照射窗口處的聚酰亞胺(PI)。最后完成歐姆接觸電極和引線的制作。

圖1 異質結光晶體管(HPT)剖面圖Fig.1 Profile of Heterojunction Phototransistor(HPT)

根據上述要求設計的異質結光晶體管可應用在各種高速模擬應用領域(如射頻通訊和雷達的接收器等)和可能受到輻射影響的數字集成電路(如衛星和戰地通訊網絡)，及要求有高系統性噪比、高增益、低偏置電流和高阻抗的探測器?！?/p>

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