光照区域结构参数对硅光电晶体管性能的影响

周　涛，吴志颖，吴元庆，路春希

(渤海大学新能源学院，锦州　121000)



光照区域结构参数对硅光电晶体管性能的影响

周涛，吴志颖，吴元庆，路春希

(渤海大学新能源学院，锦州121000)

利用Silvaco-TCAD半导体器件仿真软件，全面系统地分析了光照区域结构参数对硅NPN型红外光电晶体管光电转换特性的影响。仿真结果表明：厚度为240nm/130nm的SiO2/Si3N4双层减反射膜在特征波长(λ=0.88μm)处具有最优的光吸收效果和峰值光响应度(RM)；为满足器件对红外波段的有效吸收和响应，外延层厚度应选择为55～60μm；提高外延层电阻率虽可增大集-射击穿电压(BVCEO)，但较高的外延层电阻率同时会降低红外波段光谱响应度；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应选择为5×1019cm-3，结深应选择为2.5μm。

光电晶体管； 减反射膜； 电阻率； 少子寿命； 掺杂浓度； 光谱响应度

1　引　言

虽然新型化合物半导体材料的出现使得硅基光电晶体管的发展受到一定限制，但硅基光电晶体管仍以光谱响应度高、漏电小、性能稳定可靠、与半导体集成电路工艺兼容、制备成本低等显著优点，广泛应用于光电检测系统、光通信领域等方面，特别是在光电耦合和红外探测领域得到了十分广泛的应用[1,2]。目前，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于进口[3]。因此，从事硅基红外光电晶体管芯片的研究及开发对提高国产光敏器件的市场竞争力具有较大意义。

由于器件仿真技术具有大幅缩短研究周期、显著降低研发成本和获得更多器件内部信息等方面的优势，因此成为器件研发过程中不可或缺的重要技术手段[4,5]。截至目前，关于不同材料、结构的光电晶体管光电性能的仿真研究和结构优化方面的文献报道较多，如：史瑞等[6]对4H-SiC紫外光电晶体管的I-V特性和光谱响应特性进行了仿真研究，对器件各区掺杂浓度与厚度等参数进行优化设计。霍文娟等[7]建立了InP/InGaAsP单向载流子传输的双异质结光敏晶体管的二维模型，分析讨论了器件性能与外延结构参数的关系。丁传鹏等[8]对穿通增强型硅光电晶体管在不同窄基区宽度下的暗电流、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。并对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了仿真，分析了器件在不同光强下的响应特性。

虽然目前关于光电晶体管结构参数优化及性能仿真方面的研究报道较多，但针对硅基光电晶体管结构参数对其光电性能影响的详细分析尚报道较少。硅基光电晶体管在器件结构上可等效为光电二极管(光照区域)和普通晶体管(非光照区域)两种器件的组合。本文利用Silvaco-TCAD器件仿真软件，全面系统地分析了光照区域结构参数(减反射膜、外延层电阻率、厚度及光照基区表面浓度和结深)对硅基红外光电晶体管光电转换特性的影响。以获得高的红外光谱响应度为目标，对光照区域结构参数进行优化。本文仿真结果可为硅基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。

2　硅基光电晶体管结构的计算模型及参数选择

Silvaco-TCAD半导体器件仿真软件具有物理模型准确且针对性好、器件结构设定精细等优点，可较好的应用于半导体光电器件的仿真研究。因此，本文利用Silvaco-TCAD半导体器件仿真软件建立硅基光电晶体管二维结构，如图1所示。具体结构参数为[3]：器件衬底电阻率ρ为0.003Ω·cm，导电类型为N型，晶向为<111>；外延层掺杂类型为N型，少子寿命(τp)为100μs；外延层电阻率为变量，变化范围为3～7Ω·cm；外延层厚度(WE)为变量，变化范围为25～55μm。器件单元横向宽度为200μm，其中光照区域横向宽度为165μm；光照区域基区表面浓度(CBL)为变量，变化范围为1×1017～5×1019cm-3；光照区域基区结深为变量，变化范围为0.5～3.5μm；非光照区域基区表面峰值浓度为5×1017cm-3，基区结深为1.5μm。发射区采用重掺杂，表面峰值浓度为1×1020cm-3，结深为1μm。光电晶体管非金属接触区表面由钝化-减反射膜钝化，表面复合速率为100cm/s。默认为金半接触为理想的欧姆接触。

图1　二维硅红外光电晶体管结构示意图Fig.1　Two-dimensional silicon infrared phototransistors structure

利用Silvaco软件中的LUMINOUS2D光电子器件模块对硅基红外光电晶体管进行光学仿真，利用二维射线跟踪(RAYTRACE)方法计算得到不同减反射膜的光反射谱和器件光谱响应度。在电学仿真过程中，复合模型考虑了与掺杂浓度相关的SRH复合(CONSRH)和俄歇复合(AUGER)；迁移率模型考虑了与掺杂浓度、横向及纵向电场相关的载流子迁移率模型(ANALYTIC)。另外还考虑了重掺杂引起的禁带变窄效应(BGN)和能带简并效应(FERMI)。物理模型具体表示式可查阅Silvaco/Atalas用户手册第三章物理模型部分[9]。仿真测试温度为25 ℃。入射光垂直光电晶体管上表面入射，集电极所加扫描偏压5V，入射光光强1W/cm2，入射光波长变化范围0.4～1μm。

3　硅基红外光电晶体管光照区域结构参数优化

光响应度R(A/W)是用于描述光敏器件将光信号转换为电信号能力大小的重要参数指标。其定义为器件光生电流与入射光功率之比[10]。光响应度随入射光波长变化的特性，就是器件的光谱响应度[10]。在特征波长处，光电晶体管的峰值光谱响应度(RM)越高，说明器件的光电转换特性越好。因此，通过器件结构参数设计来获得高光谱响应度，是光电晶体管设计过程中非常重要的工作。

3.1光照区域上表面减反射膜结构研究

光谱响应度的提高除了需要增强入射光在器件内部的充分吸收外，还需要最大限度地降低入射光的反射损耗。通常在器件光照区域表面制备单层或多层光学匹配且具有良好表面钝化作用的减反射膜(anti-reflectioncoating，ARC)[11-14]。它能减少入射光的反射，增加入射光的吸收，从而增加光生载流子的数量，提高器件光生电流和光谱响应度。因此，优化减反射膜结构是改善光电晶体管的电学性能和光电转换特性的重要途径之一。在设计和评估上表面减反射膜光吸收效果时，主要手段是计算不同波长入射光的反射谱。目前，制备工艺最为成熟且具有优良钝化效果的钝化-减反射膜材料为SiO2和Si3N4(可将硅表面复合速率降低到100cm/s以下[15,16])。因此，本文选择SiO2和Si3N4两种介质膜材料作为硅基红外光电晶体管的钝化-减反射膜材料来进行研究。通过优化单层和双层介质膜的厚度，使得硅红外光电晶体管在红外波段具有最优的光吸收效果。

图2　单层减反射膜反射谱(a)单层SiO2减反射膜反射谱；(b)单层Si3N4减反射膜反射谱Fig.2　Single antireflection coatings reflectition spectrums(a)single layer SiO2;(b)single layer Si3N4

图2为计算得到的不同厚度的单层减反射膜的光反射谱。在计算过程中，光照基区表面浓度为5×1018cm-3，光照基区结深为2.5μm，外延层厚度为55μm，外延层电阻率为5Ω·cm，少子寿命为100μs。由图2可见：在0.4～1μm波段范围内，不同厚度的单层SiO2、Si3N4减反射膜均具有最低的光反射率，且随着单层减反射膜厚度的增大，最低反射率对应的入射光波长逐渐由可见光波段向红外光波段移动。当单层SiO2减反射膜的厚度为140nm时，在特征波长(0.88μm)处具有最优的光吸收效果(反射率为4.677%)。当单层Si3N4减反射膜的厚度为110nm时，在特征波长处具有最优的光吸收效果(反射率为0.235%)。由此可知，单层Si3N4减反射膜在特征波长处的光吸收效果优于单层SiO2减反射膜情况。

图3为计算得到的SiO2/Si3N4双层减反射膜的光反射谱，在计算过程中，所选择的器件结构参数与计算单层减反射膜情况相同。由图3可见：当Si3N4介质膜厚度一定时，存在最优的SiO2介质膜厚度，使得由两种介质材料组成的双层减反射膜在特征波长处具有最优的光吸收效果。当Si3N4介质膜厚度为110nm时，最优的SiO2介质膜厚度为290nm，在特征波长处的光反射率为0.232%；当Si3N4介质膜厚度为120nm时，最优的SiO2介质膜厚度为260nm，在特征波长处的光反射率为0.128%；当Si3N4介质膜厚度为130nm时，最优的SiO2介质膜厚度为240nm，在特征波长处的光反射率为0.012%；当Si3N4介质膜厚度为140nm时，最优的SiO2介质膜厚度为220nm，在特征波长处的光反射率为0.094%；当Si3N4介质膜厚度为150nm时，最优的SiO2介质膜厚度为210nm，在特征波长处的光反射率为0.463%。对于上述五种优化的双层减反射膜结构，所呈现出的变化特点为：随着Si3N4介质膜厚度的增大(SiO2介质膜厚度同时减小)，双层减反射膜在特征波长处的光反射率存在最小值。其中由厚度分别为240nm和130nm所构成的SiO2/Si3N4双层减反射膜，在特征波长处的光反射率最低，减反射效果最好。

图3　SiO2/Si3N4双层减反射膜反射谱(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

图4　不同减反射膜对红外光电晶体管光谱响应度的影响Fig.4　Influences on infrared phototransistors spectral responsivity by different antireflection coatings

'图4为不同减反射膜结构对硅红外光电晶体管光谱响应度的影响。由图4可见：对于无减反射膜情况(NoARC)，光电晶体管在不同波段的光谱响应度最低。具有双层SiO2/Si3N4减反射膜结构的光电晶体管在特征波长处的光谱响应度高于其他减反射膜情况。且对0.65～0.85μm邻近的可见光波段具有较明显的光谱响应抑制作用。原因为：当光电晶体管结构和光照条件不变时，光谱响应度大小取决于集电极电流的大小，而集电极电流的大小受入射光激发产生的光生载流子(光电流)和光电晶体管共射极直流增益两因素的影响。共射极直流增益主要取决于器件非光照区域结构参数(基区宽度、发射区、基区掺杂浓度等)，因此，当器件结构参数一定时，由入射光激发产生的的光电流大小是影响器件光谱响应度的主要因素。光电流越大，器件光谱响应度越高。对光照区域基区(P型)作一维小信号分析，并忽略势垒区的复合，对于某一波长入射光，光电晶体管光照区域产生的光电流(IBL)可表示为[17]：

式中d为势垒宽度(受光照基区、外延层掺杂浓度及集-射偏压影响)，A为光照区集电结面积，Lp为外延层少子扩散长度，R为光电晶体管上表面光反射率，F0为单位时间入射光子流密度，α为某一波长入射光吸收系数。因此，当光照条件和光电晶体管结构参数一定时，光电流大小取决于入射光在光电晶体管上表面的光反射率R。入射光反射损耗越小(R越小)，IBL越大，器件光谱响应度越高。由不同减反射膜光反射谱曲线(如图2和图3所示)可知，在特征波长处，双层SiO2/Si3N4(240nm/130nm)减反射膜的光吸收效果优于其他减反射膜情况。表明光谱响应度曲线的变化特点与减反射膜光反射谱曲线的变化特点基本一致。因此，对于硅红外光电晶体管，欲获得较高的红外波段光谱响应度，采用对红外光吸收效果较好的减反射膜结构是非常必要的。

3.2硅基红外光电晶体管外延层电阻率及厚度研究

图5为计算得到的不同外延层电阻率和外延层厚度对光电晶体管光谱响应度的影响，光照区域基区表面浓度为5×1018cm-3，基区结深为2.5μm。由图5可见：当外延层电阻率一定时，随着外延层厚度的增大，红外光波段光谱响应度增大。且峰值光谱响应度所对应的入射光波长向长波方向移动。原因为：不同波长入射光在硅材料中的吸收系数和吸收深度不同，入射光波长越长，在硅材料中的吸收系数越小，吸收深度越深[18]。对于特征波长(λ=0.88μm)，其在硅材料中的吸收系数为181cm-1左右，吸收深度约为55μm[18]。即外延层厚度至少为55μm才能充分吸收并响应波长为0.88μm的入射光。当外延层厚度较薄时，没有在外延层中吸收的红外波段入射光将在重掺杂的硅衬底中被吸收。由于衬底重掺杂，产生的光生载流子俄歇复合损失严重。因此，外延层厚度越薄(<55μm)，红外波段激发产生的光生载流子对器件光电流的贡献越小，红外波段光谱响应度越低。随着外延层厚度的增大，峰值光谱响应度增大，且所对应的波长向长波方向移动。

图5　不同外延层厚度和电阻率对红外光电晶体管光谱响应度的影响(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

由图5可见：当外延层厚度一定时，随着外延层电阻率的增大，不同波段光谱响应度均有不同程度地降低。原因为：光电流的大小由光生载流子的输运复合损耗和PN结收集作用两方面共同决定。光生载流子在输运过程中的复合损耗越小、PN结漂移收集作用越强，器件光电流越大。由光电晶体管光照基区结构参数，近似计算得到集电区中光生载流子最长输运路径约为174μm。由PC1D一维仿真软件计算得到[19]：当外延层电阻率为3Ω·cm时，少子扩散长度为345.6μm；当外延层电阻率取为5Ω·cm时，少子扩散长度为346.7μm；当外延层电阻率取为7Ω·cm时，少子扩散长度为347.2μm，均远大于光生载流子最大输运距离。因此光生载流子输运过程中的复合损耗较小，即外延层电阻率的变化对光生载流子输运过程中的复合损耗影响较小。而当外加反偏电压一定时，外延层电阻率越低，PN结空间电荷区宽度越小，空间电荷区电场强度越高，光电晶体管光照区域集电结对光生载流子的漂移收集作用越强。因此，外延层电阻率越低，器件在不同波段光谱响应度越高。此外，外延层电阻率对光电晶体管集电极-发射极击穿电压(BVCEO)也产生较大影响，经计算得到：当外延层电阻率为3Ω·cm时，BVCEO约为58V；当外延层电阻率为5Ω·cm时，BVCEO约为87V；当外延层电阻率为7Ω·cm时，BVCEO约为110V。因此，对光电晶体管外延层电阻率的选择应兼顾BVCEO电参数指标的要求。

3.3硅基红外光电晶体管光照基区结构参数优化

图6为计算得到的在光照区域中，不同基区表面浓度和结深对光电晶体管光谱响应度的影响。由图6可见：当基区结深一定时，随着基区表面浓度增大，不同波段的光谱响应度均有不同程度的降低。基区表面浓度对可见光波段(0.4～0.78μm)光谱响应度的影响尤为明显。当基区表面浓度较高(≥1×1019cm-3)时，随着基区结深的增大，可见光波段光谱响应度有较大幅度的降低，且波长越小，光谱响应度降低越显著。当基区表面浓度较低(≤1×1018cm-3)时，随着基区表面浓度和结深的变化，不同波段的光谱响应度变化均较小。原因为：在晶硅材料上表面(～5μm)的深度范围内，几乎可将可见光波段的入射光完全吸收[19]。因此在光照区域中，基区表面浓度及结深的变化对可见光波段入射光的光谱响应度影响最大。当基区表面杂质浓度较高(≥1×1019cm-3)且结深较深(≥2.5μm)时，由可见光激发并产生于光照基区中的光生载流子俄歇复合损耗较大，导致可见光波段入射光的光谱响应度较低。而对于红外光波段(>0.78μm)入射光的吸收深度大于基区结深，因此红外波段入射光的光谱响应度受基区表面浓度和结深的变化影响较小。随着光照基区上表面掺杂浓度及结深的增大，红外光波段光谱响应度略有降低。因此，为了获得较高的红外光谱响应度，同时抑制可见光的响应。在光照区域中，基区表面浓度选择为5×1019cm-3，扩散结深选择为2.5μm。

图6　光照基区不同表面浓度和结深对红外光电晶体管光谱响应度的影响(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　结　论

基于硅红外光电晶体管吸收并响应近红外长波入射光的条件，利用Silvaco-TCAD半导体器件仿真软件，全面系统地分析了光照区域结构参数对硅NPN型红外光电晶体管的光电转换特性的影响。结果表明：对于硅红外光电晶体管，欲获得较高的红外波段光谱响应度，采用对红外光吸收效果较好的减反射膜结构是非常必要的。厚度为240nm/130nm的SiO2/Si3N4双层减反射膜在特征波长处具有最优的光吸收效果和峰值光响应度，且对0.65～0.85μm邻近的可见光波段具有较明显的光谱响应抑制作用。

当外延层电阻率一定时，随着外延层厚度的增大，红外光波段光谱响应度增大。且峰值光谱响应度所对应的入射光波长向长波方向移动。为了充分吸收红外光并获得较高的光谱响应度，外延层厚度选择为55～60μm。较高的外延层电阻率是高集-射击穿电压的保证，但较高的外延层电阻率将导致红外光谱响应度降低。因此，对光电晶体管外延层电阻率的选择应兼顾BVCEO电参数指标的要求。光照区域基区表面浓度对0.4～0.78μm波段的光谱响应度的影响尤为明显。当基区表面浓度较高时，随着基区结深的增大，可见光波段光谱响应度有较大幅度的降低，且波长越小，光谱响应度降低越显著。为了得到较高的红外光响应度，同时抑制短波的响应，光照区域基区扩散表面浓度选择为5×1019cm-3，扩散结深选择为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

国家自然科学基金项目(11304020)

周涛(1983-)，男，硕士，讲师.主要从事晶硅太阳能电池和功率半导体器件相关技术方面的研究.

TK514

A

1001-1625(2016)01-0112-07