一种吸收区独立且带有周期性光控单元的双极晶体管型硅基光探测器

1.本发明属于半导体光电子技术领域，特别涉及一种吸收区独立且带有周期性光控单元的双极晶体管型硅基光探测器。


背景技术：

2.随着光电集成技术的迅猛发展，光电探测器的应用范围不再仅局限于传统的光通信和光互联领域，其在光传感领域也有广泛的应用前景，如手机等移动终端设备对环境光监测和反馈、可见光成像和传感。在实际应用中，人们希望在降低成本和提高性能的同时，制造更高集成度的集成光电系统。作为组成上述系统的重要元件，光电探测器的成本、性能和可集成度，对整个系统有着极大影响。
3.三五族化合物半导体在探测紫外波段和红外光通信波段优势明显，algan材料主要用于探测短波长的紫外光，ingaas材料主要用于探测近红外光，近年还将ga2o3材料用于日盲探测器的研究中。但是化合物半导体工艺独特，成本较高。相比之下，传统的硅基光探测器依然能满足可见光波段探测，且具有工艺成熟、成本低的独特优势。
4.常用的硅基光电探测器有pin型，apd型，晶体管型等。pin型光电探测器内部增益低，apd型光电探测器面临高驱动电压的问题。hpt(异质结双极型光电晶体管)型光电探测器只需要较小的工作电压，同时拥有较高的电流放大倍数。对于异质结双极光电晶体管，一方面，为了满足高吸收效率，需要足够的吸收区表面积和器件厚度，另一方面，由此导致的结面积增大造成了结电容的增加，纵向尺寸的增加也使得载流子输运距离增加，这势必会降低器件的工作速度。如何解决高速工作和高效吸收难以兼并的矛盾，是hpt应用的研究重点。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种兼顾高效吸收和高速工作的双极晶体管型硅基光探测器，该器件主要用于探测可见光波段，与商用标准sige bicmos工艺兼容，易于光电集成。
6.为了实现上述目的，本发明提供一种吸收区独立且带有周期性光控单元的双极晶体管型硅基光探测器，包括：
7.soi衬底，由硅衬底、二氧化硅box层和顶层硅构成。硅衬底晶向为《100》，p型掺杂，电阻率为15-20ohm
·
cm。二氧化硅box层的厚度介于50nm到500nm之间。顶硅层为n型掺杂，掺杂浓度介于1.0
×
10
18
cm-3
到1.0
×
10
20
cm-3
之间，厚度300nm-500nm。在soi衬底上依次外延n型硅层(掺杂浓度1.0
×
10
16
cm-3
到1.0
×
10
17
cm-3
)、p型sige层(掺杂浓度1.0
×
10
18
cm-3
到1.0
×
10
19
cm-3
)、n型多晶硅层(掺杂浓度1.0
×
10
20
cm-3
到1.0
×
10
21
cm-3
)，并分别作为异质结双极型晶体管的集电区、基区、发射区；soi衬底的顶硅层(n型掺杂，掺杂浓度1.0
×
10
18
cm-3
到1.0
×
10
20
cm-3
)作为晶体管的次集电区。
8.刻蚀外延片表面部分n型多晶硅层，刻蚀区域的面积为2
×
20μm2，将该区域的多晶硅层全部刻蚀干净，并沉积二氧化硅填充刻蚀区域形成隔离区。隔离区将sige/si异质结双极型晶体管型硅基光探测器划分为两个相对独立的区域，分别是异质结双极型晶体管区和独立pn结光吸收区。独立pn结光吸收区包括一个n型多晶硅层和p型sige层构成的sige/si pn结以及n型多晶硅层表面的光窗口。独立pn结光吸收区的sige/si pn结与异质结双极型晶体管区的发射结相对独立。入射光从光窗口垂直入射，适用可见光波段的光吸收。
9.所述光探测器的异质结双极型晶体管区，soi衬底的顶层硅作为异质结双极型晶体管的次集电区，n型掺杂，掺杂浓度介于1.0
×
10
18
cm-3
到1.0
×
10
20
cm-3
之间，厚度介于300nm到500nm之间；异质结双极型晶体管的n型si集电区为n型掺杂，掺杂浓度介于1.0
×
10
16
cm-3
到1.0
×
10
17
cm-3
之间，厚度介于600nm到750nm之间；异质结双极型晶体管的p型sige基区为p型掺杂，掺杂浓度介于1.0
×
10
18
cm-3
到1.0
×
10
19
cm-3
之间，厚度介于40nm到100nm之间；异质结双极型晶体管的n型多晶硅发射区为n型掺杂，掺杂浓度介于1.0
×
10
20
cm-3
到1.0
×
10
21
cm-3
之间，厚度介于200nm到300nm之间；
10.所述光探测器的异质结双极型晶体管区，发射极条宽为2μm-3μm，条长5μm-40μm，发射结面积2
×
5μm
2-3
×
40μm2，集电结面积5
×
5μm
2-6
×
40μm2。sige/si pn结吸收区光窗口面积为100μm2到800μm2。该光探测器探测和吸收400nm到800nm波段的可见光，主要由独立pn结光吸收区完成，大的光敏面有助于光吸收效率提高。异质结双极型晶体管区完成光生电流的放大，小的发射结和集电结的结面积能有效减少结电容充放电时间，提高探测器的工作速度。
11.所述光探测器的独立pn结光吸收区，嵌入周期性排列的纳米空气孔作为光控制单元。空气孔周期介于420到800nm之间，空气孔直径介于200nm到780nm之间，孔深度介于600nm到1000nm之间，贯通sige/si pn结的耗尽区。周期性排列的纳米空气孔具有陷光效应，能将垂直入射光转为水平方向传播，增加光吸收路径，提高光吸收效率，且主要增强400nm-800nm波长的可见光的光吸收。
12.所述光探测器依赖独立pn结光吸收区的sige/si pn结完成可见光的探测与吸收。探测器正常工作时，异质结双极型晶体管发射极接地，基极浮空，集电极加正向偏置电压，sige/si pn结的n型多晶硅层电极加正向偏置电压。吸收区的sige/si pn结耗尽层的光生空穴在外加电场作用下从耗尽区扫向sige层，由于sige层在横向上存在电势差，光生空穴漂移至异质结双极型晶体管区的基区并在此积累；而sige/si pn结耗尽层的光生电子流向pn结的n型多晶硅层，并通过电极引出。晶体管区积累的光生空穴使发射结势垒降低，发射极电子大量注入，从而放大了初始的光生电流。
13.如上所述，本发明提出的一种吸收区独立且带有周期性光控单元的双极晶体管型硅基光探测器具有以下有益效果：
14.1、器件使用si基材料，对400nm-800nm波长的光有较好的吸收效率，且sige/si hbt制备工艺与bicmos技术兼容，易于光电集成，可以满足低成本的要求。
15.2、分离器件的放大区和吸收区，sige/si异质结双极型晶体管的独立pn结光吸收区中嵌入了周期性纳米结构，实现垂直入射光的横向传输，在不增加器件纵向尺寸的前提下提高光吸收效率；异质结双极型晶体管负责放大光生电流，不考虑光吸收，因此晶体管尺寸可以优化设计条宽和结面积，减少电容充放电时间，提高器件工作速度，缓解器件响应度
和工作速度的矛盾。
16.综上所述，本发明提出的一种吸收区独立且带有周期性光控单元的双极晶体管型硅基光探测器具有兼顾光探测的响应度、灵敏度和工作速度的优势。
附图说明
17.图1给出了探测器的三维结构示意图。
18.图2是650nm入射光时，800nm周期、600nm直径的光调控单元电场分量分布图。
19.其中(a)z＝0处入射光横向电场分布。
20.(b)入射光电场纵向分布图。
21.(c)z＝1μm处入射光电场横向分布图。
22.图3(a)sige层横向电势分布。
23.(b)光生空穴的横向输运路线及光生电子流向。
24.元件标号说明
[0025]1ꢀꢀꢀ
异质结双极型晶体管区
[0026]
11
ꢀꢀ
晶体管发射区
[0027]
12
ꢀꢀ
晶体管基区
[0028]
13
ꢀꢀ
晶体管集电区
[0029]
14
ꢀꢀ
晶体管次集电区
[0030]
15
ꢀꢀ
发射极
[0031]
16
ꢀꢀ
集电极
[0032]2ꢀꢀꢀ
独立pn结光吸收区
[0033]
21
ꢀꢀ
周期性光控单元
[0034]
22
ꢀꢀ
n型多晶硅层电极
[0035]3ꢀꢀꢀ
soi衬底
[0036]
31
ꢀꢀ
顶硅层
[0037]
32
ꢀꢀ
二氧化硅box层
[0038]
33
ꢀꢀ
硅衬底
[0039]4ꢀꢀꢀ
隔离区
具体实施方式
[0040]
下面结合附图，通过特定的具体实施例说明，使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚地阐释。显然，所描述的实施例只是本发明的一种可选实施方式，需要注意的是，对以下公开的具体实施方式的说明，本领域专业技术人员能够轻易地了解和实施本发明及其技术优势。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
[0041]
如图1所示，本发明实施例提供的一种吸收区独立且带有周期性光控单元的双极晶体管型硅基光探测器结构包括：
[0042]
soi衬底(3)，其中硅衬底(33)厚度为2μm，晶向为《100》，p型掺杂，电阻率为15-20ohm
·
cm。二氧化硅box层(32)厚度为300nm。顶硅层(31)厚度为300nm；依次在soi衬底上外延700nm n型硅层，100nm p型sige层和200nm n型多晶硅层，p型sige层中锗含量为0.25。刻蚀外延片表面部分n型多晶硅层，在刻蚀区域中沉积二氧化硅层形成隔离区。隔离区将sige/si异质结双极型晶体管型硅基光探测器划分为两个相对独立的区域，分别是异质结双极型晶体管区(1)和独立pn结光吸收区(2)。异质结双极型晶体管区(1)的晶体管发射区(11)、晶体管基区(12)、晶体管集电区(13)、晶体管次集电区(14)分别由n型多晶硅层、p型sige层、n型硅层、顶硅层构成；n型多晶硅层、p型sige层构成的sige/si pn结以及n型多晶硅层表面的光窗口构成独立pn结光吸收区(2)。
[0043]
所述的异质结双极型晶体管区(1)为一npn型sige/si hbt，其中晶体管发射区(11)掺杂浓度为1.0
×
10
20
cm-3
，厚度200nm；晶体管基区(12)掺杂浓度5.0
×
10
16
cm-3
，厚度100nm；晶体管集电区(13)掺杂浓度5.0
×
10
16
cm-3
，厚度700nm；晶体管次集电区(14)掺杂浓度1.0
×
10
19
cm-3
，厚度300nm。晶体管发射极条宽2μm，条长20μm，集电结面积为5
×
20μm2。晶体管的结面积很小，结电容充放电时间短，能提高探测器的工作速度。
[0044]
所述的独立pn结光吸收区(2)，由n型多晶硅层和p型sige层构成，厚度分别为200nm和100nm，掺杂浓度分别为1.0
×
10
20
cm-3
和5.0
×
10
18
cm-3
，入射光窗口面积为20μm
×
25μm。其中嵌入有周期性排列的空气孔作为周期性光控单元(21)，排布周期为800nm，空气孔直径为600nm，孔深为1000nm，贯通sige/si pn结的耗尽区。设计的光调控单元具有陷光效应，垂直入射光受到周期性排列的纳米空气孔作用，转为水平方向传播，光吸收路径增加，提高了光吸收效率，且主要增强400-800nm波长的可见光的光吸收。图2给出了650nm入射光在光控制单元中传输时的电场分布。其中(a)为进入空气孔前电场的分布，(b)和(c)分别为空气孔中电场分布的纵向图和横向分布图。可以看出，由于周期性排列纳米空气孔对光传输的控制作用，650nm的垂直入射光在进入空气孔后，电场发生了明显的横向扩展，由此传输路径转为水平方向，可以增加吸收长度，提高吸收效率。
[0045]
光探测器的独立pn结光吸收区(2)，其耗尽区位置与可见光的穿透深度保持一致，周期性纳米空气孔贯通sige/si pn结的耗尽区。在sige/si pn结的n型多晶硅层加4v电压，异质结双极型晶体管集电极加3v电压，发射极接地，基极浮空的工作状态时，sige层内横向产生电势差，如图3(a)所示。sige/si pn结耗尽区的光生空穴，被外加电场从耗尽区扫向sige层，并在电势差的作用下漂移至晶体管基区积累，输运路线如图3(b)所示；而光生电子流向sige/si pn结的n型多晶硅层，并通过电极引出。晶体管区积累的光生空穴使发射结势垒降低，发射极电子大量注入，从而放大了初始的光生电流。
[0046]
以上所述是本发明的一种实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。