異質(zhì)結(jié)光晶體管(HPT)的設(shè)計(jì)

吳雯倩

(天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津 300350)

異質(zhì)結(jié)光晶體管(Heterojunction Phototransistor，HPT)作為一種光電探測(cè)器件，擁有較高的光增益和系統(tǒng)性噪比，較小的暗電流(無(wú)光照時(shí)流經(jīng)晶體管的電流)，以及較寬的 3,DB響應(yīng)寬度，其前置放大也更易于實(shí)現(xiàn)。

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(shí)間，即電極間距，同時(shí)在一定的程度上還與基區(qū)的厚度有關(guān)，為達(dá)到增加帶寬的目的，電極間距和基區(qū)厚度應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)得小一些。但反過(guò)來(lái)，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(diǎn)，所以實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)需要折衷考慮。窗口面積的大小與渡越時(shí)間和量子效率沒(méi)有直接關(guān)系，但要考慮到面積大了以后，異質(zhì)結(jié)光晶體管總的結(jié)電容大了，RC時(shí)間常數(shù)也會(huì)增大，所以面積的設(shè)計(jì)應(yīng)以有利于耦合為限。因此異質(zhì)結(jié)光晶體管的層結(jié)構(gòu)和器件的橫向結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)和耦合封裝。筆者將異質(zhì)結(jié)光晶體管的材料和器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路敘述如下：

1 材料層結(jié)構(gòu)和參數(shù)

整個(gè)外延層是在半絕緣的 N＋I(xiàn)nP＜100方向＞襯底上進(jìn)行的。為阻止襯底雜質(zhì)向集電區(qū)和基區(qū)擴(kuò)散，影響集電區(qū)和基區(qū)載流子的漂移速度，我們?cè)诩妳^(qū)下方引入了高阻和寬禁帶的N-InP緩沖層，厚底應(yīng)足夠，視外延條件應(yīng)以 5,μm 為宜?；鶇^(qū)和集電區(qū)的厚度設(shè)計(jì)有講究，厚一點(diǎn)有利于提高器件的光增益，但由于遠(yuǎn)離電極的地方電場(chǎng)強(qiáng)度降低，器件的響應(yīng)速度會(huì)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(guò)InP發(fā)射區(qū)照射在基區(qū)上，所以基區(qū)和集電區(qū)采用了禁帶寬度較小，光吸收系數(shù)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(shí)，穿透厚度為0.87,μm，在入射光λ＝1.55,μm時(shí)，穿透厚度略為 1.47,μm，因此集電區(qū)和基區(qū)合起來(lái)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?cè)诎l(fā)射區(qū)上方引入了 N＋I(xiàn)n0.53,Ga0.47,As吸收層，由于其禁帶寬度高于基區(qū)和集電區(qū)材料的禁帶寬度，這就引入了一個(gè)附加勢(shì)壘，從而阻止空穴從基區(qū)注入發(fā)射區(qū)，但不影響從發(fā)射區(qū)來(lái)的電子注入基區(qū)。

1.1 窗口面積

窗口面積的選擇原則是方便實(shí)際應(yīng)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(shè)計(jì)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(yīng)盡量小，即W盡量小，S盡量大。但實(shí)際情況下線寬 W 的設(shè)計(jì)受工藝水平的限制。S太大又會(huì)增加載流子的渡越時(shí)間，影響晶體管的高頻性能，所以應(yīng)根據(jù)工藝水平和設(shè)計(jì)帶寬進(jìn)行綜合考慮?？紤]到在目前的工藝水平下，最小線寬為1,μm，同時(shí)為保證電極的完整性和成品率，將電極寬度設(shè)計(jì)得寬容一點(diǎn)，定為 1.5,μm。間距的確定依據(jù)是渡越時(shí)間。電極間距應(yīng)不大于 4,μm，這里我們?cè)O(shè)計(jì)為 3.5,μm。為了提高異質(zhì)結(jié)基區(qū)注入比，我們對(duì)基區(qū)還進(jìn)行了輕摻雜。綜合考慮，我們將基區(qū)厚度設(shè)計(jì)為 0.5,μm，p型輕摻雜，摻雜濃度為 5×1016,cm-3。對(duì)集電區(qū)，我們?cè)O(shè)計(jì)為 3,μm，太厚會(huì)增大響應(yīng)時(shí)間，n型，摻雜濃度為1×1016,cm-3。發(fā)射區(qū)，厚度設(shè)計(jì)為 2,μm，n型，為了提高基區(qū)注入比，我們對(duì)發(fā)射區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s，摻雜濃度為 1.5×1017,cm-3。窗口面積為 80,μm×80,μm。但總的說(shuō)來(lái)，任何一種設(shè)計(jì)都要以自己的工藝為基礎(chǔ)。這些設(shè)計(jì)參數(shù)是否合適，還需要研究結(jié)果檢驗(yàn)。

由于我們是采用In0.53,Ga0.47,As/InP異質(zhì)結(jié)，所以使用了目前國(guó)際上比較先進(jìn)的分束子外延(Molecular Beam Epitaxy，即 MBE)技術(shù)來(lái)制備異質(zhì)結(jié)，因?yàn)檫@種生長(zhǎng)技術(shù)可以制造出高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)的勢(shì)能輪廓和雜質(zhì)分布，精度可以控制到接近原子距離，并且對(duì)于晶格匹配的 In0.53,Ga0.47,As/InP異質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有實(shí)際上沒(méi)有缺陷的界面。中國(guó)科學(xué)院上海冶金所可以進(jìn)行GSMBE技術(shù)異質(zhì)結(jié)的制備。

2 工藝過(guò)程

異質(zhì)結(jié)晶體管(見(jiàn)圖 1)的制造過(guò)程完全與典型的晶體管制造過(guò)程兼容，下面是主要的工藝流程。該器件采用了臺(tái)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(zhǎng)，先生長(zhǎng)5,μm厚摻Sn(5×1016,cm-3)的 N-InP緩沖層，隨后生長(zhǎng) 3,μm 厚摻 Sn(1×1016,cm-3)的 In0.53,Ga0.47,As n 型集電區(qū)，接著生長(zhǎng) 0.5,μm 厚摻 Cd(5×1016,cm-3)的In0.53,Ga0.47,As p型基區(qū)，再生長(zhǎng) 2,μm 厚摻 Sn(5×1017,cm-3)的 InP n型發(fā)射區(qū)，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(lái)是器件的臺(tái)面隔離，將晶體管的臺(tái)面利用H3,PO4與H2,O2系腐蝕液腐蝕到緩沖層，然后對(duì)整個(gè)做好圖形的片子作表面處理，包括有機(jī)溶濟(jì)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(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)4,500,?的SiO2。SiO2在這里既作為輔助剝離介質(zhì)，又充當(dāng)了有源區(qū)的表面保護(hù)層，避免了工藝過(guò)程中的表面損傷和沾污。接下來(lái)用接觸式化學(xué)光刻的辦法刻出歐姆電極，用反應(yīng)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(fā)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(wěn)定性、耐化學(xué)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(hù)，同時(shí)作為平坦化介質(zhì)和金屬引線壓焊點(diǎn)處金屬的隔離介質(zhì)。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(zhì)結(jié)光晶體管(HPT)剖面圖Fig.1 Profile of Heterojunction Phototransistor(HPT)

根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)的異質(zhì)結(jié)光晶體管可應(yīng)用在各種高速模擬應(yīng)用領(lǐng)域(如射頻通訊和雷達(dá)的接收器等)和可能受到輻射影響的數(shù)字集成電路(如衛(wèi)星和戰(zhàn)地通訊網(wǎng)絡(luò))，及要求有高系統(tǒng)性噪比、高增益、低偏置電流和高阻抗的探測(cè)器?！?/p>

［1］ 關(guān)旭東. 硅集成電路工藝基礎(chǔ)[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，2003.

［2］ (美)張立綱. 分子束外延和異質(zhì)結(jié)構(gòu)[M]. 上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1998.

［3］ 虞麗生. 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)物理[M]. 北京：科學(xué)出版社，1990.