光照區域結構參數對硅光電晶體管性能的影響

周　濤，吳志穎，吳元慶，路春希

(渤海大學新能源學院，錦州　121000)

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光照區域結構參數對硅光電晶體管性能的影響

周濤，吳志穎，吳元慶，路春希

(渤海大學新能源學院，錦州121000)

利用Silvaco-TCAD半導體器件仿真軟件，全面系統地分析了光照區域結構參數對硅NPN型紅外光電晶體管光電轉換特性的影響。仿真結果表明：厚度為240nm/130nm的SiO2/Si3N4雙層減反射膜在特征波長(λ=0.88μm)處具有最優的光吸收效果和峰值光響應度(RM)；為滿足器件對紅外波段的有效吸收和響應，外延層厚度應選擇為55～60μm；提高外延層電阻率雖可增大集-射擊穿電壓(BVCEO)，但較高的外延層電阻率同時會降低紅外波段光譜響應度；為了獲得較高的紅外光譜響應度，同時抑制可見光波段的響應，光照區域基區表面濃度應選擇為5×1019cm-3，結深應選擇為2.5μm。

光電晶體管； 減反射膜； 電阻率； 少子壽命； 摻雜濃度； 光譜響應度

1　引　言

雖然新型化合物半導體材料的出現使得硅基光電晶體管的發展受到一定限制，但硅基光電晶體管仍以光譜響應度高、漏電小、性能穩定可靠、與半導體集成電路工藝兼容、制備成本低等顯著優點，廣泛應用于光電檢測系統、光通信領域等方面，特別是在光電耦合和紅外探測領域得到了十分廣泛的應用[1,2]。目前，在光電耦合器和紅外探測器系統中所使用的光電晶體管基本依賴于進口[3]。因此，從事硅基紅外光電晶體管芯片的研究及開發對提高國產光敏器件的市場競爭力具有較大意義。

由于器件仿真技術具有大幅縮短研究周期、顯著降低研發成本和獲得更多器件內部信息等方面的優勢，因此成為器件研發過程中不可或缺的重要技術手段[4,5]。截至目前，關于不同材料、結構的光電晶體管光電性能的仿真研究和結構優化方面的文獻報道較多，如：史瑞等[6]對4H-SiC紫外光電晶體管的I-V特性和光譜響應特性進行了仿真研究，對器件各區摻雜濃度與厚度等參數進行優化設計。霍文娟等[7]建立了InP/InGaAsP單向載流子傳輸的雙異質結光敏晶體管的二維模型，分析討論了器件性能與外延結構參數的關系。丁傳鵬等[8]對穿通增強型硅光電晶體管在不同窄基區寬度下的暗電流、光生電流及光電響應率等隨偏壓變化的電學性能和光電轉換特性進行仿真。并對器件在不同光強下的光生電流和光電響應率隨偏壓的變化進行了仿真，分析了器件在不同光強下的響應特性。

雖然目前關于光電晶體管結構參數優化及性能仿真方面的研究報道較多，但針對硅基光電晶體管結構參數對其光電性能影響的詳細分析尚報道較少。硅基光電晶體管在器件結構上可等效為光電二極管(光照區域)和普通晶體管(非光照區域)兩種器件的組合。本文利用Silvaco-TCAD器件仿真軟件，全面系統地分析了光照區域結構參數(減反射膜、外延層電阻率、厚度及光照基區表面濃度和結深)對硅基紅外光電晶體管光電轉換特性的影響。以獲得高的紅外光譜響應度為目標，對光照區域結構參數進行優化。本文仿真結果可為硅基光電晶體管結構參數設計及器件制備提供有意義的參考信息。

2　硅基光電晶體管結構的計算模型及參數選擇

Silvaco-TCAD半導體器件仿真軟件具有物理模型準確且針對性好、器件結構設定精細等優點，可較好的應用于半導體光電器件的仿真研究。因此，本文利用Silvaco-TCAD半導體器件仿真軟件建立硅基光電晶體管二維結構，如圖1所示。具體結構參數為[3]：器件襯底電阻率ρ為0.003Ω·cm，導電類型為N型，晶向為<111>；外延層摻雜類型為N型，少子壽命(τp)為100μs；外延層電阻率為變量，變化范圍為3～7Ω·cm；外延層厚度(WE)為變量，變化范圍為25～55μm。器件單元橫向寬度為200μm，其中光照區域橫向寬度為165μm；光照區域基區表面濃度(CBL)為變量，變化范圍為1×1017～5×1019cm-3；光照區域基區結深為變量，變化范圍為0.5～3.5μm；非光照區域基區表面峰值濃度為5×1017cm-3，基區結深為1.5μm。發射區采用重摻雜，表面峰值濃度為1×1020cm-3，結深為1μm。光電晶體管非金屬接觸區表面由鈍化-減反射膜鈍化，表面復合速率為100cm/s。默認為金半接觸為理想的歐姆接觸。

圖1　二維硅紅外光電晶體管結構示意圖Fig.1　Two-dimensional silicon infrared phototransistors structure

利用Silvaco軟件中的LUMINOUS2D光電子器件模塊對硅基紅外光電晶體管進行光學仿真，利用二維射線跟蹤(RAYTRACE)方法計算得到不同減反射膜的光反射譜和器件光譜響應度。在電學仿真過程中，復合模型考慮了與摻雜濃度相關的SRH復合(CONSRH)和俄歇復合(AUGER)；遷移率模型考慮了與摻雜濃度、橫向及縱向電場相關的載流子遷移率模型(ANALYTIC)。另外還考慮了重摻雜引起的禁帶變窄效應(BGN)和能帶簡并效應(FERMI)。物理模型具體表示式可查閱Silvaco/Atalas用戶手冊第三章物理模型部分[9]。仿真測試溫度為25 ℃。入射光垂直光電晶體管上表面入射，集電極所加掃描偏壓5V，入射光光強1W/cm2，入射光波長變化范圍0.4～1μm。

3　硅基紅外光電晶體管光照區域結構參數優化

光響應度R(A/W)是用于描述光敏器件將光信號轉換為電信號能力大小的重要參數指標。其定義為器件光生電流與入射光功率之比[10]。光響應度隨入射光波長變化的特性，就是器件的光譜響應度[10]。在特征波長處，光電晶體管的峰值光譜響應度(RM)越高，說明器件的光電轉換特性越好。因此，通過器件結構參數設計來獲得高光譜響應度，是光電晶體管設計過程中非常重要的工作。

3.1光照區域上表面減反射膜結構研究

光譜響應度的提高除了需要增強入射光在器件內部的充分吸收外，還需要最大限度地降低入射光的反射損耗。通常在器件光照區域表面制備單層或多層光學匹配且具有良好表面鈍化作用的減反射膜(anti-reflectioncoating，ARC)[11-14]。它能減少入射光的反射，增加入射光的吸收，從而增加光生載流子的數量，提高器件光生電流和光譜響應度。因此，優化減反射膜結構是改善光電晶體管的電學性能和光電轉換特性的重要途徑之一。在設計和評估上表面減反射膜光吸收效果時，主要手段是計算不同波長入射光的反射譜。目前，制備工藝最為成熟且具有優良鈍化效果的鈍化-減反射膜材料為SiO2和Si3N4(可將硅表面復合速率降低到100cm/s以下[15,16])。因此，本文選擇SiO2和Si3N4兩種介質膜材料作為硅基紅外光電晶體管的鈍化-減反射膜材料來進行研究。通過優化單層和雙層介質膜的厚度，使得硅紅外光電晶體管在紅外波段具有最優的光吸收效果。

圖2　單層減反射膜反射譜(a)單層SiO2減反射膜反射譜；(b)單層Si3N4減反射膜反射譜Fig.2　Single antireflection coatings reflectition spectrums(a)single layer SiO2;(b)single layer Si3N4

圖2為計算得到的不同厚度的單層減反射膜的光反射譜。在計算過程中，光照基區表面濃度為5×1018cm-3，光照基區結深為2.5μm，外延層厚度為55μm，外延層電阻率為5Ω·cm，少子壽命為100μs。由圖2可見：在0.4～1μm波段范圍內，不同厚度的單層SiO2、Si3N4減反射膜均具有最低的光反射率，且隨著單層減反射膜厚度的增大，最低反射率對應的入射光波長逐漸由可見光波段向紅外光波段移動。當單層SiO2減反射膜的厚度為140nm時，在特征波長(0.88μm)處具有最優的光吸收效果(反射率為4.677%)。當單層Si3N4減反射膜的厚度為110nm時，在特征波長處具有最優的光吸收效果(反射率為0.235%)。由此可知，單層Si3N4減反射膜在特征波長處的光吸收效果優于單層SiO2減反射膜情況。

圖3為計算得到的SiO2/Si3N4雙層減反射膜的光反射譜，在計算過程中，所選擇的器件結構參數與計算單層減反射膜情況相同。由圖3可見：當Si3N4介質膜厚度一定時，存在最優的SiO2介質膜厚度，使得由兩種介質材料組成的雙層減反射膜在特征波長處具有最優的光吸收效果。當Si3N4介質膜厚度為110nm時，最優的SiO2介質膜厚度為290nm，在特征波長處的光反射率為0.232%；當Si3N4介質膜厚度為120nm時，最優的SiO2介質膜厚度為260nm，在特征波長處的光反射率為0.128%；當Si3N4介質膜厚度為130nm時，最優的SiO2介質膜厚度為240nm，在特征波長處的光反射率為0.012%；當Si3N4介質膜厚度為140nm時，最優的SiO2介質膜厚度為220nm，在特征波長處的光反射率為0.094%；當Si3N4介質膜厚度為150nm時，最優的SiO2介質膜厚度為210nm，在特征波長處的光反射率為0.463%。對于上述五種優化的雙層減反射膜結構，所呈現出的變化特點為：隨著Si3N4介質膜厚度的增大(SiO2介質膜厚度同時減小)，雙層減反射膜在特征波長處的光反射率存在最小值。其中由厚度分別為240nm和130nm所構成的SiO2/Si3N4雙層減反射膜，在特征波長處的光反射率最低，減反射效果最好。

圖3　SiO2/Si3N4雙層減反射膜反射譜(a)d(Si3N4)=110 nm；(b)d(Si3N4)=120 nm；(c)d(Si3N4)=130 nm；(d)d(Si3N4)=140 nm；(e)d(Si3N4)=150 nmFig.3　SiO2/Si3N4 double antireflection coatings reflectition spectrums

圖4　不同減反射膜對紅外光電晶體管光譜響應度的影響Fig.4　Influences on infrared phototransistors spectral responsivity by different antireflection coatings

'圖4為不同減反射膜結構對硅紅外光電晶體管光譜響應度的影響。由圖4可見：對于無減反射膜情況(NoARC)，光電晶體管在不同波段的光譜響應度最低。具有雙層SiO2/Si3N4減反射膜結構的光電晶體管在特征波長處的光譜響應度高于其他減反射膜情況。且對0.65～0.85μm鄰近的可見光波段具有較明顯的光譜響應抑制作用。原因為：當光電晶體管結構和光照條件不變時，光譜響應度大小取決于集電極電流的大小，而集電極電流的大小受入射光激發產生的光生載流子(光電流)和光電晶體管共射極直流增益兩因素的影響。共射極直流增益主要取決于器件非光照區域結構參數(基區寬度、發射區、基區摻雜濃度等)，因此，當器件結構參數一定時，由入射光激發產生的的光電流大小是影響器件光譜響應度的主要因素。光電流越大，器件光譜響應度越高。對光照區域基區(P型)作一維小信號分析，并忽略勢壘區的復合，對于某一波長入射光，光電晶體管光照區域產生的光電流(IBL)可表示為[17]：

式中d為勢壘寬度(受光照基區、外延層摻雜濃度及集-射偏壓影響)，A為光照區集電結面積，Lp為外延層少子擴散長度，R為光電晶體管上表面光反射率，F0為單位時間入射光子流密度，α為某一波長入射光吸收系數。因此，當光照條件和光電晶體管結構參數一定時，光電流大小取決于入射光在光電晶體管上表面的光反射率R。入射光反射損耗越小(R越小)，IBL越大，器件光譜響應度越高。由不同減反射膜光反射譜曲線(如圖2和圖3所示)可知，在特征波長處，雙層SiO2/Si3N4(240nm/130nm)減反射膜的光吸收效果優于其他減反射膜情況。表明光譜響應度曲線的變化特點與減反射膜光反射譜曲線的變化特點基本一致。因此，對于硅紅外光電晶體管，欲獲得較高的紅外波段光譜響應度，采用對紅外光吸收效果較好的減反射膜結構是非常必要的。

3.2硅基紅外光電晶體管外延層電阻率及厚度研究

圖5為計算得到的不同外延層電阻率和外延層厚度對光電晶體管光譜響應度的影響，光照區域基區表面濃度為5×1018cm-3，基區結深為2.5μm。由圖5可見：當外延層電阻率一定時，隨著外延層厚度的增大，紅外光波段光譜響應度增大。且峰值光譜響應度所對應的入射光波長向長波方向移動。原因為：不同波長入射光在硅材料中的吸收系數和吸收深度不同，入射光波長越長，在硅材料中的吸收系數越小，吸收深度越深[18]。對于特征波長(λ=0.88μm)，其在硅材料中的吸收系數為181cm-1左右，吸收深度約為55μm[18]。即外延層厚度至少為55μm才能充分吸收并響應波長為0.88μm的入射光。當外延層厚度較薄時，沒有在外延層中吸收的紅外波段入射光將在重摻雜的硅襯底中被吸收。由于襯底重摻雜，產生的光生載流子俄歇復合損失嚴重。因此，外延層厚度越薄(<55μm)，紅外波段激發產生的光生載流子對器件光電流的貢獻越小，紅外波段光譜響應度越低。隨著外延層厚度的增大，峰值光譜響應度增大，且所對應的波長向長波方向移動。

圖5　不同外延層厚度和電阻率對紅外光電晶體管光譜響應度的影響(a)ρ=3 Ω·cm；(b)ρ=5 Ω·cm；(c)ρ=7 Ω·cmFig.5　Influences of different Epitaxial layer thickness and resistivity on infrared phototransistors spectral responsivity

由圖5可見：當外延層厚度一定時，隨著外延層電阻率的增大，不同波段光譜響應度均有不同程度地降低。原因為：光電流的大小由光生載流子的輸運復合損耗和PN結收集作用兩方面共同決定。光生載流子在輸運過程中的復合損耗越小、PN結漂移收集作用越強，器件光電流越大。由光電晶體管光照基區結構參數，近似計算得到集電區中光生載流子最長輸運路徑約為174μm。由PC1D一維仿真軟件計算得到[19]：當外延層電阻率為3Ω·cm時，少子擴散長度為345.6μm；當外延層電阻率取為5Ω·cm時，少子擴散長度為346.7μm；當外延層電阻率取為7Ω·cm時，少子擴散長度為347.2μm，均遠大于光生載流子最大輸運距離。因此光生載流子輸運過程中的復合損耗較小，即外延層電阻率的變化對光生載流子輸運過程中的復合損耗影響較小。而當外加反偏電壓一定時，外延層電阻率越低，PN結空間電荷區寬度越小，空間電荷區電場強度越高，光電晶體管光照區域集電結對光生載流子的漂移收集作用越強。因此，外延層電阻率越低，器件在不同波段光譜響應度越高。此外，外延層電阻率對光電晶體管集電極-發射極擊穿電壓(BVCEO)也產生較大影響，經計算得到：當外延層電阻率為3Ω·cm時，BVCEO約為58V；當外延層電阻率為5Ω·cm時，BVCEO約為87V；當外延層電阻率為7Ω·cm時，BVCEO約為110V。因此，對光電晶體管外延層電阻率的選擇應兼顧BVCEO電參數指標的要求。

3.3硅基紅外光電晶體管光照基區結構參數優化

圖6為計算得到的在光照區域中，不同基區表面濃度和結深對光電晶體管光譜響應度的影響。由圖6可見：當基區結深一定時，隨著基區表面濃度增大，不同波段的光譜響應度均有不同程度的降低。基區表面濃度對可見光波段(0.4～0.78μm)光譜響應度的影響尤為明顯。當基區表面濃度較高(≥1×1019cm-3)時，隨著基區結深的增大，可見光波段光譜響應度有較大幅度的降低，且波長越小，光譜響應度降低越顯著。當基區表面濃度較低(≤1×1018cm-3)時，隨著基區表面濃度和結深的變化，不同波段的光譜響應度變化均較小。原因為：在晶硅材料上表面(～5μm)的深度范圍內，幾乎可將可見光波段的入射光完全吸收[19]。因此在光照區域中，基區表面濃度及結深的變化對可見光波段入射光的光譜響應度影響最大。當基區表面雜質濃度較高(≥1×1019cm-3)且結深較深(≥2.5μm)時，由可見光激發并產生于光照基區中的光生載流子俄歇復合損耗較大，導致可見光波段入射光的光譜響應度較低。而對于紅外光波段(>0.78μm)入射光的吸收深度大于基區結深，因此紅外波段入射光的光譜響應度受基區表面濃度和結深的變化影響較小。隨著光照基區上表面摻雜濃度及結深的增大，紅外光波段光譜響應度略有降低。因此，為了獲得較高的紅外光譜響應度，同時抑制可見光的響應。在光照區域中，基區表面濃度選擇為5×1019cm-3，擴散結深選擇為2.5μm。

圖6　光照基區不同表面濃度和結深對紅外光電晶體管光譜響應度的影響(a)xjBL=0.5 μm;(b)xjBL=1.5 μm;(c)xjBL=2.5 μm;(d)xjBL=3.5 μmFig.6　Influences of different light base surface concentrations and junction depths on infrared phototransistors spectral responsivity(a)xjBL=0.5 μm;(b)xjBL=1.5 μm;(c)xjBL=2.5 μm;(d)xjBL=3.5 μm

4　結　論

基于硅紅外光電晶體管吸收并響應近紅外長波入射光的條件，利用Silvaco-TCAD半導體器件仿真軟件，全面系統地分析了光照區域結構參數對硅NPN型紅外光電晶體管的光電轉換特性的影響。結果表明：對于硅紅外光電晶體管，欲獲得較高的紅外波段光譜響應度，采用對紅外光吸收效果較好的減反射膜結構是非常必要的。厚度為240nm/130nm的SiO2/Si3N4雙層減反射膜在特征波長處具有最優的光吸收效果和峰值光響應度，且對0.65～0.85μm鄰近的可見光波段具有較明顯的光譜響應抑制作用。

當外延層電阻率一定時，隨著外延層厚度的增大，紅外光波段光譜響應度增大。且峰值光譜響應度所對應的入射光波長向長波方向移動。為了充分吸收紅外光并獲得較高的光譜響應度，外延層厚度選擇為55～60μm。較高的外延層電阻率是高集-射擊穿電壓的保證，但較高的外延層電阻率將導致紅外光譜響應度降低。因此，對光電晶體管外延層電阻率的選擇應兼顧BVCEO電參數指標的要求。光照區域基區表面濃度對0.4～0.78μm波段的光譜響應度的影響尤為明顯。當基區表面濃度較高時，隨著基區結深的增大，可見光波段光譜響應度有較大幅度的降低，且波長越小，光譜響應度降低越顯著。為了得到較高的紅外光響應度，同時抑制短波的響應，光照區域基區擴散表面濃度選擇為5×1019cm-3，擴散結深選擇為2.5μm。

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InfluenceofStructureParametersofLightRegiononOutputPropertiesofSiliconPhototransistors

ZHOU Tao,WU Zhi-ying,WU Yuan-qing,LU Chun-xi

(CollegeofNewEnergy,BohaiUniversity,Jinzhou121000,China)

TheinfluencesofstructureparametersinthelightregiononphotoeletricconversioncharacteristicsofthesiliconNPNphototransistorsarestudiedcomprehensivelyandsystematicallybyusingSilvaco-TCADsemiconductordevicesimulationsoftware.Thesimulationresultsshowthat240nm/130nmthickSiO2/Si3N4doublelayeranti-reflectioncoatingshasmoreeffectiveabsorptionspectrumandhigherPeaklightresponsivity(RM)foracharacteristicwavelength(λ=0.88μm).Inordertomeettheeffectiveabsorptionandresponseofthedevicetotheinfraredband,theepitaxiallayerthicknessof55-60μmisrequired.Althoughincreasedepitaxiallayerresistivitycanimprovethecollector-emitterbreakdownvoltage(BVCEO),buthigherepitaxiallayerresistivitywillalsoreducetheinfraredspectralresponsivity.Inordertoobtainhigherinfraredspectralresponsivity,atthesametimesuppresstheresponseofthevisiblelightwavelengths,thebasesurfaceconcentrationinthelightregionof5×1019cm-3isrequired,andthejunctiondepthof2.5μmisrequired.

phototransistors;antireflectioncoating;resistivity;minoritycarrierlifetime;dopingconcentration;spectralresponsivity

國家自然科學基金項目(11304020)

周濤(1983-)，男，碩士，講師.主要從事晶硅太陽能電池和功率半導體器件相關技術方面的研究.

TK514

A

1001-1625(2016)01-0112-07