（微电子学与固体电子学专业论文）4hsic光电晶体管的特性研究.pdf

摘要 论文题目：4 i - i - s i c 光电晶体管的特性研究 学科专业：微电子学与固体电子学 研究生：史瑞 指导教师：陈治明教授 签名： 签名： 迭盏 碰卡萨 摘要 碳化硅( s i c ) 由于禁带较宽，对可见光和近红外光几乎没有吸收，因此一般只能用 来制作紫外光探测器。国内外关于s i c 基紫外光探测器的报道主要有4 h s i c 肖特基势垒 光电二极管，4 h s i c 雪崩光电二极管，以及p i n 光电二极管，而晶体管结构的紫外光电探 测器还未见有报道，本文设计了一个4 h s i c 紫外光电晶体管，实现了在很强的可见及红 外背景下进行紫外探测。 为了实现将s i c 基光电探测器探测信号的波长范围转至可见光至近红外波长范围，使 其能够用于光通信领域，或作为光电转换器件使用在大功率光控器件中，本文设计了一个 s i 4 h s i c 异质结光电晶体管，讨论了异质结光电晶体管的结构并进行了特性分析。从理 论上推导了如何优化结构来改善其特性，并通过模拟进行了验证。实现了将s i c 基光电探 测器的探测波长范围转置可见光范围内。 本论文的主要工作包括： 1 利用国内外已发表的4 h s i c 材料特性数据以及4 h s i c 光电探测器的实验数据， 在二维器件模拟软件s i l v a c ot c a d 中建立4 h s i c 光电晶体管的数值模型，对其进行了 结构优化及特性模拟。结果表明，4 h s i c 光电晶体管的光谱响应范围为2 0 0 3 8 0n n l ，峰 值波长为2 7 0n n l ，相应的响应度为3 0 0 w ，而对可见红外光的响应度均小于2 w ， 具有较高的紫外光分辨率，可实现在很强的可见及红外背景下进行紫外探测。对优化的器 件结构，在集电极偏压为5 v 、输入光功率密度为0 1w c m 2 条件下，其光电增益高达4 6 0 。 该器件室温下的暗电流密度为1 0 5 “从m 2 ，且随着电压变化光暗电流比值基本保持不变， 即光增益在5v 偏压内恒定为4 6 0 。 2 应用建立的模型对文献报道的一个4 h s i cp i n 紫外光电二极管进行了模拟，将 模拟结果与报道的试验结果进行对比讨论，验证了所建立的模型中选取的4 h s i c 材料参 数的可靠性。 3 讨论了s i 4 h s i c 异质结光电晶体管的结构及特性分析。结果表明，s i 4 h s i c 异 质结光电晶体管的光谱响应范围为4 0 0 9 0 0n l t l ，峰值波长为7 5 0n l l l ，相应的响应度为 3 3 a w ，实现了将s i c 基光电探测器的探测波长范围转至可见光范围内。理论推导了如何 优化结构来改善其特性，并通过软件进行模拟，结果表明随着基极宽度的减小，s i 4 h s i c 异质结光电晶体管的响应度增大，响应时间减小，验证了理论推导的结果。 关键词：4 h s i c ；光电晶体管；异质结；模拟 t i t l e ： s i m u l a t i o na n da n a l y s i so f4 h - s i cp h o t o t r a n s i s t o r m a j o r ：m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i d s t a t ee i e c t r o n i c s n a m e ：r u is h i s i g n a t u r e ：阻i 啦 s u p e r v i s o r ：p r o f lz h i m i n gc h e n s i g n a t u r e ：避 a b s t r a c t s i l i c o nc a r b i d e ( s i c ) d o s ea l m o s tn o ta b s o r bv i s i b l ea n dn e a ri n f r a r e d l i g h td u et oi t sw i d e b a n dg a p ，i ti sg e n e r a l l yo n l yu s e dt om a k eu vd e t e c t o r s d e v e l o p m e n to fs i c - b a s e du v d e t e c t o r sa th o m ea n da b r o a da r em o s t l yc o n c e n t r a t e di n4 h s i cs c h o t t k yb a r r i e rp h o t o d i o d e ， 4 h - s i ca v a l a n c h e p h o t o d i o d e s ，p - i np h o t o d i o d e s ， a n ds o o n s i n c en ou l t r a v i o l e t p h o t o t r a n s i s t o r sh a sb e e nr e p o r t e d ，t h i s p a p e rd e s i g n e do n e a n dt h i s4 h s i cu v p h o t o t r a n s i s t o rc a nd e t e c tu l t r a v i o l e tl i g h te f f e c t i v e l yu n d e rt h ei n f r a r e da n dv i s i b l el i g h t i no r d e rt ot r a n s f e rw a v e l e n g t hr a n g eo ft h es i c - b a s e dp h o t od e t e c t o rt ot h ev i s i b l ea n d n e a ri n f r a r e d ，s ot h a ti tc a nb eu s e df o ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，o ra sa p h o t o e l e c t r i cc o n v e i r t e r i nh i g hp o w e ro p t i c a lc o n t r o ld e v i c e s as i 4 h s i ch e t e r o j u n c t i o np h o t o t r a n s i s t o ri sd e s i g n e d i nt h i sp a p e r ，t h es t r u c t u r eo fh e t e r o j u n c t i o np h o t o t r a n s i s t o ri s d i s c u s s e da n dc h 踟a c t e r i s t i c s w e r ea n a l y z e d t h e o r yd e r i v e dh o w t oo p t i m i z et h es t r u c t u r et oi m p r o v ei t sc h a r a c t e r i s t i c sa l - e v e r i f i e dt h r o u g hs i m u l a t i o n t h eq u e s t i o nt h a th o wt o o p t m i z es t r u t u r et oa m e l i o r a t ei t s c h a r a c t e r i s t i ci sd e d u c e di nt h e r o y , a n di si nf u r t h e rv e r i f i e di ns i m u l a t i o n t r a n s f e r i n gt h el i g h t d e t e c t e dw a v e l e n g t ht ot h er a n g eo fv i s i b l el i g h ti sa c h i e v e di nt h e p a p e r s o m ec o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e da sf o l l o w s ： 1 i nt h ep a p e r , as t a t i s t i c sm o d e lo f4 h - s i cu vp h o t o t r a n s i s t o ri s c a l c u l a t e da i l d e s t a b l i s h e db a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t ao f4 h s i cu v d e t e c t o r sa n dt h em a t e r i a lp a r a m e t e r s o f4 h - s i c t h es o f t w a r eo fs i l v a c oi s e m p l o y e dt os i m u l a t ea n da n a l y z ec h a r a c t e r i s t i c so f 4 h s i cu vp h o t o t r a n s i s t o la l s o o p t i m i z ei t ss t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r s ，s u c ha s d o p i n g c o n c e n t r a t i o na n dd o p i n gd e p t ho ft h ed i f f e r e n ta r e a s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es p e c t r a l r e s p o n s eo f4 h - s i cu vp h o t o t r a n s i s t o ri si nt h er a n g eo f2 0 0 38 0n n lw i t ham a x i m u m r e s p o n s i b i l i t yo f3 0 0 a wa r o u n d2 7 0 n m ，w h i l ei t sr e s p o n s i b i l i t yi nt h er a n g ef r o mv i s i b l el i g h t t oi n f r a r e dl i g h ti sn o to v e r2a w t h a ti n d i c a t e st h a tt h ed e v i c e h a sah i g hr e s o l v i n gp o w e rf o r u l t r a v i o l e tl i g h t t h e4 h s i cu vp h o t o t r a n s i s t o rc a nd e t e c tu l t r a v i o l e tl i g h te f i e c t i v e l vu n d e r t h ei n f r a r e da n dv i s i b l el i g h t f o ra no p t i m i z e dd e v i c es t r u c t u r e ，t h eo p t i c a lg a i no f 4 6 0c a nb e o b t a i n e du n d e rac o l l e c t o rb i a so f5v a n dar a d i a t i o np o w e rd e n s i t yo f0 1w c m 2 t h ed a d ( c u r r e n td e n s i t yo ft h ed e v i c ei s10 。5 t a c m 2a tr o o mt e m p e r a t u r e ，a n dt h er a t i oo f t h eo p t i c a l c u r r e n ta n dd a r kc u r r e n ti sa l m o s tc o n s t a n ta st h e v o l t a g ec h a n g e su n d e r5 v 2 i nt h ep a p e r , a4 h s i cp - i - nu v p h o t o d i o d ei ss i m u l a t e db a s e do nt h em o d e lh a sb e e n i i a b s t r a c t c a l c u l a t e da n de s t a b l i s h e d t h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o w st h a tt h ep a r a m e t e r so ft h em o d e la r e r e l i a b l ec o m p a r i n gw i t he x p e r i m e n t a ld a t a 3 t h es t r u c t u r eo fs i 4 h s i ch e t e r o j u n c t i o np h o t o t r a n s i s t o ra n di t sc h a r a t e s i ca n y l i s i sa l e d i s c u s s e di n t h e p a p e r t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h e s p e c t r a lr e s p o n s e o fs i 4 h s i c h e t e r o j u n c t i o np h o t o t r a n s i s t o ri si nt h er a n g eo f4 0 0 - 9 0 0 n l nw i t ham a x i m u mr e s p o n s i b i l i t yo f 3 3 a wa r o u n d7 5 0 n m t r a n s f e r i n gt h el i g h td e t e c t e dw a v e l e n g t ht ot h er a n g eo fv i s i b l el i g h ti s a c h i e v e di nt h ep a p e r t h eq u e s t i o nt h a th o wt oo p t m i z es t r u t u r et oa m e l i o r a t ei t sc h a r a c t e r i s t i c i sd e d u c e di nt h e r o y , a n di si nf u r t h e rv e r i f i e di ns i m u l m i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e r e s p o n s i v i t yo fs i 4 h - s i ch e t e r o j u n c t i o np h o t o t r a n s i s t o rw i l lb er i s i n g ，w h i l ei t sr e s p o n s et i m e w i l lb ed e c r e a s i n gw i t ht h en a r r o w e ro f b a s ew i d t h k e y w o r d s ：4 h s i c ；p h o t o t r a n s i s t o r ；h e t e r o j u n c t i o n ；s i m u l a t i o n ； i i i 目录 摘要兽i a b s t r a c t i i 目录一i 1 绪论1 1 1 课题背景与意义1 1 2 国内外研究进展4 1 3 论文的主要工作5 2 理论综述7 2 1 光电晶体管的原理7 2 2 光电晶体管特性8 2 3 异质结光电晶体管的原理1 1 2 3 1 工作原理1 2 2 3 2 工作模式1 3 2 3 3 主要特性及参数1 3 2 4 软件模拟流程14 2 4 1 软件简介1 4 2 4 2 模拟流程15 2 4 3 基本方程15 34 h s i c 光电晶体管的建模及特性研究1 7 3 1 器件结构17 3 2 材料参数和物理模型的选取1 9 3 2 1 材料参数的选取1 9 3 2 2 物理模型的选取1 9 3 2 3 4 h s i c 材料光谱文件的建立2 2 3 3 模拟结果2 5 3 3 1 光电流与入射光功率2 5 3 4 2 伏安特性2 6 3 4 3 响应灵敏度与波长2 6 3 4 4 光电流与暗电流2 7 3 4 5 温度特性2 8 3 4 6 瞬态特性2 8 3 5 仿真模型的验证2 9 3 5 1 光谱响应特性2 9 3 5 2 电流电压特性3 0 3 6 光电二极管与光电晶体管对比3 2 3 7 本章小结3 2 4s i 4 h s i c 异质结光电晶体管3 3 4 1 异质结光电晶体管结构3 3 4 1 1s i s i c 异质结3 3 4 1 ，2s i s i c 异质结光电特性基本理论3 4 4 1 3p - n + s i 4 h - s i c 异质结光电二极管结构3 4 4 1 4p - i ns i 4 h s i c 异质结光电二极管3 7 西安理工大学硕士学位论文 4 1 5n p ns i 4 h s i c 异质结光电晶体管3 8 4 2 异质结光电晶体管特性4 0 4 3 异质结光电晶体管结构优化4 3 4 3 1 异质结光电晶体管光增益的理论分析4 3 4 3 2 异质结光电晶体管基区尺寸对光电响应的影响一4 7 4 3 3 异质结光电晶体管基区尺寸对响应时间的影响4 7 4 4 本章小节4 8 5 总结4 9 致谢5 0 参考文献- 5 1 i i 绪论 一 1 绪论 1 1 课题背景与意义 任何光电系统中，都包含光波的产生、传输、放大、探测等功能。例如光通信，通常 是把需要传输的语音、图像或数码等信息调制或激光信号耦合进入石英光纤中，传输一段 距离后，当信号变弱时，可采用半导体放大器或掺铒光纤放大器进行放大后继续传输，到 达目的之后，就由半导体光电探测器将已经变的非常弱的光信号探测出来，转变为电学信 号，在通过电学放大，整形处理，还原成我们能听，能见，能读的各种声音、图像或其它 有用信息。因此光电探测器就是这样一类接受光信号并进行光电转换的特种器件i l l 2 1 3 。 简言之，光电晶体管主要应用在光电探测系统中，是光伏型光电探测器的一种，主要 作用就是将光信号转换为电信号。在过去的1 0 多年里，光电集成电路( o e i c ) 的研究也 主要集中在光接收与探测上。最简单的光接收器是用光探测器将输入的光信号有效的转换 为电信号，然后再用低噪声放大器将电信号放大以便作进一步处理。常规光电探测器的种 类有p - i - n 光电二极管，雪崩光电二极管，光电晶体管等。p - i n 光电二极管和雪崩光电二 极管( a p d ) 已经在光接收o e i c 中被广泛地用作光电探测器。其中p i n 光电二极管具 有量子效率高、工作电压低、结构简单容易制造、以及比较好的光电响应、低噪声和宽频 带等优点，但是它没有内部增益，因而没有放大作用，对弱输入光功率的响应度很弱。雪 崩光电二极管( a p d ) 是利用雪崩倍增机制实现探测和增益的。但是其工作电压高，雪崩 噪声大，另外与h b t 兼容性差，制作工艺难度大。光电晶体管是另一类具有光电增益的 光电探测器件，具有光增益大，频率响应高，不会出现由于雪崩引起的而外噪声。且响应 度非常高，不需要高的偏置电压。而且较之p i n 光电二极管以及雪崩光电二极管而言， 光电晶体管具有大的多的响应度( 光电流) h 鄹 6 1 。 因为光电晶体管对电流有放大作用，所以灵敏度会高于光电二极管，输出的电流也会 远远大于光电二极管。而且对于高速信号而言，使用p n 或p i n 光电二极管时，为保证好 的频率特性，通常都会把负载电阻取得很小。例如，匹配高速示波器时，一般要求r i = 5 0 f l 7 1 。这样小的r l ，输出的信号电压必然很小，因此在使用光电二极管做探测器时对前置 放大器的要求很高，这就增加了电路设计上的工作量，而如果采用有内增益的光电探测器， 自身就有电流放大作用，会大大降低对前置放大器的要求，这也成为光电晶体管相对于光 电二极管的另一优势 8 1 。 我们都知道，s i c 是一种重要的宽禁带半导体材料，具有高反向击穿电场，高热导率， 高载流子饱和漂移速率及耐高温、抗腐蚀、抗辐照能力强等优点，特别适合制作高压，高 温，高频，高功率，耐辐照等半导体器件1 9 1 。但由于s i c 的禁带宽度为3 2 6 e v ，对可见 光几乎是透明的，只能吸收紫外光。因此般只能用s i c 制作紫外光探测器。这种紫外光 电探测器，具有低的暗电流，室温下反向击穿电压大，可用来检测极端环境中的微弱紫外 信号 1 0 l 1 l l 。国内外研制s i c 基紫外光电探测器的工作已有很多，但大多是二极管结构， 西安理工大学硕士学位论文 其中比较成熟的有4 h s i c 基肖特基势垒紫外光电二极管，4 h s i c 基雪崩光电二极 管，m s m 结构的4 h - s i c 紫外光电二极管以及4 h s i cp i n 紫外光电二极管等。而具有内 部光增益，光响应度明显更大的晶体管结构的紫外光电探测器却鲜有报道。 所以本文的其中一项工作：设计并模拟了一个4 h s i c 紫外光电晶体管。 1 、实现了在较强的可见及红外背景下探测紫外光? 2 、建立及验证4 h s i c 光电晶体管的仿真模型，可用于之后的h p t 设计中。 s i c 基光电探测器用来探测紫外光，而紫外光电探测器多用于军用国防以及航空航天 领域。这就限制了s i c 基光电探测器的使用范围。例如：紫外光电探测器，并不适合用于 光通信领域。光通信领域需要波长范围在可见光，近红外甚至整个红外范围内；其次无论 在军事，民用及通讯的众多领域里s i 器件在高温、高频和大功率等情况下工作以显得力 不从心。s i c 相对于s i 来说，具有禁带宽、热导率高以及载流子饱和漂移速度较高等特 点。这些优异特性使得s i c 器件有着3 倍于s i 器件的工作温度，1 0 倍的工作速度和1 1 0 0 的功耗。因此，s i c 器件在大功率应用方面被认为是s i 器件的理想代替1 1 2 1 。随着电力电 子技术向高频、大功率、高灵敏度、高可靠性、多功能和小型化方向的发展，现代电力电 子设备产生和受到电磁干扰的几率也大大增加。如果想避免电磁干扰( e m i ) ，这一影响 各个领域内电控系统及设备正常工作的重大问题，就需要将电控方式改成光控方式，不过， s i c 对可见光和红外光不敏感，不能实现可见光范围内的光控应用。如果想即综合s i c 材 料的各种优异特性，又能将其探测光信号的波长范围转至可见光及近红外波长范围内，使 其能够应用在光通信领域或是作为光电转换器件使用在大功率光控器件中，我们就将普通 s i c 光电晶体管换成异质结光电晶体管，即将宽带隙发射极的概念应用于光电晶体管，即 可实现改变探测光波长的目的。 早在2 0 世纪5 0 年代初，w i l l i a ms h o c k l e y 就已经提出“宽带隙发射极”器件的概念。 到5 0 年代中期，k r o e m e r 证明了采用宽带隙发射极能大幅度的提高发射极注入效率，从 而提高h b t 的频率性能。随着材料生长和工艺技术的进步，i i i v 和族材料h b t 以显 示出了优越特性。h p t 是在同质结光电晶体管的研究基础上发展起来的，即将宽带隙发 射极的概念应用于光晶体管。研究表明，若h p t 发射区的能带宽度比基区的能带宽度大， 那么发射区的注入损耗可以减小几个数量级。因此，在设计h p t 时可以取消发射区和基 区掺杂浓度的限制，并在理论上导致高增益和更好的频率响应t 1 3 1 。 异质结双极晶体管( h b t ) 和p - i n 光电二极管的单片集成光接收器已被广泛的用在 光探测上。将其与h b t 集成，是可以起到对弱信号的放大作用，但是p - i n 光电二极管和 h b t 集成时要利用相同的外延层，所以外延结构必须兼容两个器件的性能，给工艺带来 一定的难度，导致对器件性能上的限制。近年来快速发展起来的异质结光电晶体管( h p t ) 有可能取代p i n 光电二极管和雪崩光电二极管作为高性能的光电探测器用于光通信领域 【1 4 1 图1 1 展示了各种相关材料作为外延层材料的碳化硅基光电二极管特性比较，图中显 2 绪论 示了不同材料的光响应谱，这些材料的光响应谱都是在器件结构相同的条件下模拟得到 的，所以具有可比性。 图1 1 碳化硅基相关材料光电二极管光响应谱 f i g u r e1 - 1s p e c t r a lr e s p o n s eo fr e l a t e dm a t e r i a l sp h o t o d i o d eb a s e do ns i cs u b s t r a t e 从图中可以看出，虽然i n p 和g a a s 的禁带宽度大于s i 的禁带宽度，由于i n p 和g a a s 是直接带隙半导体，几乎刚进入本征吸收的波长就达到了最大的光响应度，所以光响应度 峰值都在近红外区。g a p 和a l a s 的禁带宽度较宽，这两种材料的光电二极管几乎都在蓝 光和紫光范围有较强的吸收，而且光响应度峰值分别在蓝光和紫光区。a 1 s b 在可见光区 域都有吸收，在黄光到近红外光区域的光响应度较小，达到绿光区后，光响应度先减小后 又急剧增大到峰值响应度，其光响应度峰值在绿光区。虽然s i 的本征吸收长波限在近红 外区，但是s i 是间接带隙半导体，对于这种薄膜型光电二极管，在近红外范围的光响应 度很小，其光响应峰值是在可见光范围内。 因此本文利用s i s i c 异质结制成光电晶体管用于光电探测，s i s i c 异质结采用s i 薄 膜作为光敏层，以s i c 既做衬底又做窗口材料，即有可能实现将s i c 基光电探测器探测光 信号的波长范围转至可见光至近红外波长范围内，使其能够用于光通信领域以及大功率光 控器件中，也使s i c 材料本身的优良特性和对可见光透明的特性得到很好的利用。不仅如 此，s i s i ch p t 既满足了光电晶体管衬底材料要能承受很高的反向电压，须具有高的电阻 率的要求，又满足了h p t 发射区对入射光是透明的，并且光主要在基区吸收的要求。而 且，除了可能实现具有内部增益和可用作长波长光电探测器外，还由于s i s i ch p t 易与 工艺成熟的其它s i 基器件兼容集成，组合出新的功能器件，使其应用范围进一步拓宽。 这一点又优于i i i v 族或族多元化合物材料制作的h p t 因此，如果可以将s i s i c 异质结 的优异特性与h p t 的优越特性结合在一起，制作成s i s i ch p t ，就进一步拓宽了s i c 材 料的在光电探测领域的应用范围。 所以本文的另一项工作：设计并模拟了s i 4 h s i c 异质结光电晶体管。 1 、实现了将s i c 基光电探测器的探测波长范围转置可见光范围内? 西安理工大学硕士学位论文 2 、响应度远远大于s i s i c 异质结光电二极管。 1 2 国内外研究进展 关于s i s i c 异质结器件的报道很少，而且大多没有涉及到s i s i c 异质结的光电特性 和光电转换问题。 s c j w o 和c h u n y e nc h a n g 曾成功地制作了q s i ：h 瓜s i c ：h 单极异质结二极管。 这种二极管用射频辉光放电沉积方法制成，显示了非对称势垒产生的整流特性。初步结果 显示这种设计原理是可行的，而且器件是稳定的。在忽略偏压的情况下，异质结电容为常 量。器件的开关时间为1 5 1 x s ，传输延迟时间为9 “s1 1 5 1 。ap e r e z t o m a s 等使用分子束外延 ( m b e ) 设备在4 h s i c 衬底上外延s i 制成s i s i cn n 异质结二极管。异质结二极管显示 类似肖特基特性的整流作用，它的漏电流强烈的依赖于s i s i c 界面的质量。异质结二极 管的漏电流在1 0 v 时低达1 0 a c m 2 ，内建电势差为1 8 2 0 v 1 6 1 0 日本研制成功一种反向 恢复特性类似于碳化硅肖特基势垒二极管( 4 h s i cs b d ) ，而漏电流和通态压降都比其低的 多的多晶s i 单晶s i c 异质结单极型p + n 二极管( h j d ) 1 7 1 , 一个反向阻断能力为1 6 0 0 v 的 h j d 在1 0 0 0 v 电压下的漏电流密度只有2 9 a c m 2 ，正向电流密度5 0 0 a c m 2 下的压降只有 2 1 v ，而目前c r e e 公司出售的1 2 0 0 v4 h s i cs b d 在1 0 0 0 v 电压下的漏电流密度是 1 0 t a c m 2 ，正向电流密度5 0 0 a c m 2 下的压降只有4 4v 。l c h e n 等人通过计算机模拟设 计了一种新的s u s i c 异质结m o s f e t 。该结构采用s i c 上外延s i 作为沟道层，并将栅氧 化层设计成外延s i 氧化而成，用来提高氧化层质量，避免出现s i c s i 0 2 界面，从而大大 降低了s i c m o s f e t 的通态比电阻，而保留s i c m o s f e t 的耐高压能力1 1 8 1 。 从2 0 0 8 年开始我们课题组用h w c v d 在n 6 h s i c 衬底上生长出质量很好的p s i 单 晶薄膜，目前对于在单晶6 h s i c 上外延单晶s i 形成的异质结及其光电特性的报道也只有 我们课题组。我们己对s i s i c 异质结及其光电特性进行了系统的分析：实验表明采用s i c 衬底的掺杂浓度为1 1 0 ”c m 3 ，s i 外延层掺杂浓度大概为l 1 0 1 8 c m 3 时，光生电流密度 为2 0 m a c m 2 ，s i s i cp n 异质结具有明显的整流特性。而且改进结构制作s i s i c 异质结 p i n 光电二极管，进一步将提高光电留提高到。 在光电探测器领域，大多数应用s i c 材料都是利用其对紫外光的吸收特性，研制的紫 外光电二极管。台湾的y k f a n g 等人研制了非晶s i c s i 异质结p i n 光电二极管用于紫 外光探测，该二极管在2 0 0 4 0 0 n m 波段的响应度比g a a s p 肖特基势垒光电二极管高出 2 0 0 ，而且有效抑制了长波响应，降低了噪声 1 9 1 0a s c i u t o ，f r o c c a f o r t e 等人研制了一 种高效率的4 h s i c 肖特基势垒紫外光电二极管，采用半透明电极通过自对准工艺形成类 似于m s m 结构的插指电极。做成的光电二极管由于n i 2 s i 与4 h s i c ( 1 6 6 e v ) 所形成的 肖特基势垒的存在，使其在5 0 v 的偏压下，暗电流只有2 0 0 p a ，在峰值波长( 2 5 4 n m ) 处，光生电流也比一般紫外光电探测器高出两个数量级，内量子效率为7 8 ，这种垂直 结构的肖特基势垒紫外光电二极管电流响应因子比平面m s m 结构高1 81 2 0 1 0 在过去的几 4 绪论 年里，关于s i c 材料的紫外探测的研究大多集中在在s i ，4 h s i c ，金刚石及6 h - s i c 衬底 上生长g a n 或口s i c 制成的各种异质结光电二极管，这些器件各方面特性优良( 暗电流 小，响应度高) ，最大的优点是可以工作在很高的温度下，尤其以金刚石衬底的紫外光探 测器最为优越。就是这些器件的成本都相对比较高。为了降低成本，t s e - h e n g c h o u 等人 研制了一种n s i c n p s i c n 同质结用作紫外光探测，不仅能工作在很高的温度下而且成本 也大大降低1 2 1 1 0 1 3 论文的主要工作 1 首先介绍了研究异质结光电晶体管的意义，以及异质结光电晶体管的研究进程和存在问 题。其次介绍了普通光电晶体管及异质结光电晶体管的结构和原理，并对光探测器的量子 效率，光谱响应，暗电流等重要参数及术语进行介绍。 2 、基于国内外已发表的4 h s i c 的材料特性数据以及4 h s i c 光电探测器的实验数据，在 二维器件工艺模拟软件s i l v a c ot c a d 中建立数值模型，模拟了4 h s i c 光电晶体管的各 种特性及对其结构进行了优化。 3 、应用软件对已经成熟的4 h s i cp i n 紫外光电二极管进行了模拟，将模拟的特性与试 验结果进行了对比讨论，验证了仿真模型的可靠性。 4 、讨论了s i 4 h s i c 异质结光电晶体管的结构及特性分析。理论推导了如何优化结构来 改善其特性，并通过模拟进行了验证。 原书为 不缺内容 白页 理论综述 2 理论综述 2 1 光电晶体管的原理 光电晶体管的工作原理可以分为光电转换和光电放大两个过程。以硅基n p n 型光电 晶体管为例讨论其基本工作原理( 见图2 1 ) 。光电转换过程与一般光电二极管相同，在 集基p n 结区内进行。晶体管受光激发产生的光生电子空穴对在反向偏置的p n 结内电 场的作用下，电子流向集电区被集电极所收集，而空穴流像基区与正向偏置的发射结发射 的电子复合，形成基极电流i 。，基极电流将被集电结放大p 倍，即电流放大过程，这与一 般半导体晶体管的放大原理相同。不同的是一般晶体管是由基极向发射结注入空穴载流 子，控制发射极的扩散电流，而光电晶体管是由注入到发射结的光生电流控制。集电极输 出的电流为： ，。= p = 卢导( 1 一p 刊) m ( 2 1 ) 光 e b 一一一一一一一 昂。i 西安理工大学硕士学位论文 由图可知光电二极管的电流i p 被晶体管放大p 倍。在实际的生产工艺中也采用这种形式， 以便获得更好的线性和更大的线性范围。 有时为了提高光电晶体管的频率响应、增益和减小体积，经常将光电二极管、光电晶 体管制作在一个硅片上构成集成光电器件。图2 3 列出了三种形式的集成光电器件。 图2 3 ( a ) 光电二极管晶体管集成器件2 3 1 f i g u r e2 - 3 ( a ) i n t e g r a t e dd e v i c eo fp h o t o d i o d e a n dp h o t o t r a n s i s t o r 图2 3 ( b ) 光电晶体管一晶体管集成器件1 f i g u r e2 - 3 ( b ) i n t e g r a t e dd e v i c eo fp h o t o t r a n 一 s i s t o ra n do r d i n a r yt r a n s i s t o r 图2 - 3 ( c ) 达琳顿光电晶体管眩w f i g u r e2 - 3 ( c ) d a r l i n g t o np h o t o t r a n s i s t o r 图2 3 ( a ) 所示为光电二极管与晶体管集成而构成的集成光电器件，它比图2 - 2 所示 的光电晶体管具有更大的动态范围，因为光电二极管的反向偏置电压不受晶体管集电结电 压的控制。图2 3 ( b ) 所示的电路为由图2 2 所示的光电晶体管与晶体管集成构成的集成 光电器件，它具有更高的电流增益即有更高的灵敏度。图2 3 ( c ) 所示的电路称为达琳 顿光电晶体管，其可以用到更多的晶体管集成而成为电流增益更高的集成光电器件。 2 2 光电晶体管特性 ( 1 ) 伏安特性 图2 4 为普通硅光电晶体管在不同光功率密度下的伏安特性曲线。图中可以看出，光 电晶体管在偏置电压为零时，无论光照有多强，集电极电流都为零，这说明光电三极管必 须在一定的偏置电压作用下才能工作。偏置电压要保证光电晶体管的发射结处于正向偏 8 理论综述 置，而集电结处于反向偏置。随着偏置电压的增高伏安特性曲线趋于平坦。但是，与光电 二极管的伏安特性曲线不同，光电晶体管的伏安特性曲线向上偏斜，间距增大。这是因为 光电晶体管除具有光电灵敏度外，还具有电流增益1 3 ，并且b 值随光电流的增大而增大。 ( 2 ) 光谱响应 堇 ， 堂 兰 宅 & 害 比 2 5 2 o 1 5 1 0 o 5 o 一 t = ：3 0 0 k io 弋一 l- 一一 _ 一 2 5w t m 2 l _ 呻， _ ii r 2w c m 2 i 1 5w ，e m 2 - ii一 l w ，c m o sw ，c m 。 r o 6w c m 2 r rn 4w ，a 1 1 2 o 。2w c m li o2468l o1 21 4 c o l l e c t o r - e m i t t e rv o l t a g ev t i e ( v ) 图2 4 光电晶体管伏安特性曲线2 3 1 f i g u r e2 - 4i - vc u r v eo fo r d i n a r yp h o t o t r a n s i s t o r t = 3 0 0 k 毒 f ?| ?| f 1 3 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 01 0