一種基于InGaAs-InP異質(zhì)結(jié)光電晶體管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于InGaAs?InP異質(zhì)結(jié)光電晶體管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，包括以下步驟：根據(jù)異質(zhì)結(jié)光電晶體管的實際結(jié)構(gòu)和類型在仿真軟件中建立起相同的仿真模型；將該異質(zhì)結(jié)光電晶體管的實際性能與該仿真模型的仿真實驗結(jié)果進行擬合；以增大光響應(yīng)度為目的，并以該異質(zhì)結(jié)光電晶體管基區(qū)不發(fā)生穿通現(xiàn)象為前提，優(yōu)化該異質(zhì)結(jié)光電晶體管的集電極高低摻雜濃度、基區(qū)摻雜濃度和基區(qū)厚度，并確定基區(qū)與發(fā)射區(qū)之間的本征層厚度及基區(qū)材料摻雜最優(yōu)漸變范圍，得到優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)；將該仿真模型改成優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，再進行仿真實驗，把仿真實驗結(jié)果與結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的仿真實驗結(jié)果進行比較，驗證結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的有效性。該方法能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，給出確切的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高性能。
【專利說明】
一種基于I nGaAs-1 nP異質(zhì)結(jié)光電晶體管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種紅外光電探測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于InGaAs-1nP異質(zhì)結(jié)光電晶體管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近20年來，光電集成電路(OEIC)的研究主要集中在光接收器上，而光接收器的核心是光探測器。p-1-n光電二極管和雪崩光電二極管(APD)是目前較為廣泛的光探測器，但p-1-n光電二極管沒有內(nèi)部增益，因此在入射光功率較小時，響應(yīng)度很低;AH)利用雪崩倍增機制來實現(xiàn)探測，但其工作電壓高，且具有較大的雪崩噪聲。異質(zhì)結(jié)光電晶體管(HPT)近年來發(fā)展迅速，因其具有光增益、響應(yīng)度高、工作電壓低、不存在雪崩噪聲等優(yōu)點，極有可能取代P-1-n光電二極管和雪崩光電二極管。目前，HPT作為高性能光電探測器已廣泛應(yīng)用于微波光子通信系統(tǒng)，不同材料體系的HPT也被大量報道。
[0003]目前已有很多關(guān)于提高異質(zhì)結(jié)光電晶體管性能的文獻報道，如:1.晶體管基區(qū)材料組分漸變能產(chǎn)生較大的電場，加快基區(qū)內(nèi)載流子的輸運。2.在異質(zhì)結(jié)晶體管中，發(fā)射區(qū)材料組分漸變，可以降低異質(zhì)結(jié)界面處的電子勢皇，增大發(fā)射極注入效率。3.在發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間插入一層薄的本征層可以防止基區(qū)雜質(zhì)向發(fā)射區(qū)擴散。4.在NPN型異質(zhì)結(jié)晶體管中，保持較低的基區(qū)摻雜濃度可增加電子擴散長度以提高晶體管的增益。5.薄的、均勻的基區(qū)能減少基區(qū)載流子復(fù)合，從而獲得較高的基區(qū)輸運效率。
[0004]盡管提高異質(zhì)結(jié)晶體管增益的報道有很多，但很多方面都存在不全面、不精確的缺點。如降低基區(qū)摻雜濃度雖然能增大器件增益，但卻會帶來較高的基區(qū)電阻，從而導(dǎo)致器件的截止頻率降低，器件也更容易發(fā)生穿通現(xiàn)象，光電流、暗電流會同時放大;薄的、均勻的基區(qū)雖然能減少基區(qū)載流子復(fù)合，但器件在偏壓較小的情況下就容易發(fā)生穿通現(xiàn)象，導(dǎo)致暗電流過大。因此，異質(zhì)結(jié)光電晶體管各結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化最終都應(yīng)有一個較為合適的值，材料組分漸變的范圍、插入的本征層厚度也應(yīng)存在最佳值。目前，還沒有一套較為系統(tǒng)的異質(zhì)結(jié)光電晶體管性能優(yōu)化的綜合報道。
[0005]有鑒于上述的內(nèi)容，本設(shè)計人，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種基于InGaAs-1nP異質(zhì)結(jié)光電晶體管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，使其更具有產(chǎn)業(yè)上的利用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于InGaAs-1nP異質(zhì)結(jié)光電晶體管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，給出確切的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高性能。
[0007]本發(fā)明提出的一種基于InGaAs-1nP異質(zhì)結(jié)光電晶體管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0008]步驟(I)根據(jù)異質(zhì)結(jié)光電晶體管的實際器件結(jié)構(gòu)和類型在仿真軟件中建立起相同的器件仿真模型；
[0009]步驟(2)將該異質(zhì)結(jié)光電晶體管的實際性能實驗結(jié)果與該器件仿真模型的在仿真軟件中的仿真實驗結(jié)果進行擬合，保證仿真的可靠性；
[0010]步驟(3)以增大光響應(yīng)度為目的，并以該異質(zhì)結(jié)光電晶體管基區(qū)不發(fā)生穿通現(xiàn)象為前提，優(yōu)化該異質(zhì)結(jié)光電晶體管的集電極高低摻雜濃度、基區(qū)摻雜濃度和基區(qū)厚度，并確定基區(qū)與發(fā)射區(qū)之間的本征層厚度及基區(qū)材料摻雜最優(yōu)漸變范圍，得到優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)；
[0011]步驟(4)將該器件仿真模型的結(jié)構(gòu)改成優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，再用仿真軟件中進行仿真實驗，把仿真實驗結(jié)果與結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的仿真實驗結(jié)果進行比較，驗證結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的有效性。
[0012]作為本發(fā)明方法的進一步改進，步驟(I)中所述的仿真軟件為半導(dǎo)體TCAD仿真軟件。
[0013]作為本發(fā)明方法的進一步改進，步驟(I)中所述的器件仿真模型包括迀移率模型、復(fù)合模型、載流子生成模型和載流子統(tǒng)計模型。
[0014]作為本發(fā)明方法的進一步改進，步驟(2)中所述的實際性能實驗結(jié)果和仿真實驗結(jié)果均包括光電流性能、暗電流性能和光譜響應(yīng)性能。
[0015]作為本發(fā)明方法的進一步改進，步驟(3)中所述集電極高低摻雜濃度為IX 119/cm3?5 X 117/cm3。
[0016]作為本發(fā)明方法的進一步改進，步驟(3)中所述的基區(qū)摻雜濃度為5X 1017/cm3。[00?7]作為本發(fā)明方法的進一步改進，步驟(3)中所述的基區(qū)厚度為90nm。
[0018]作為本發(fā)明方法的進一步改進，步驟(3)中所述的基區(qū)與發(fā)射區(qū)之間的本征層厚度為Ilnm0
[0019]作為本發(fā)明方法的進一步改進，步驟(3)中所述的基區(qū)材料摻雜最優(yōu)漸變范圍為In組分從0.53到0.4。
[0020]借由上述方案，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點:本發(fā)明提出的基于InGaAs-1nP異質(zhì)結(jié)光電晶體管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，給出確切的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高性能，從而可以制作出高性能的紅外探測器件。
[0021]上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本發(fā)明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明實施例中InGaAs-1nP異質(zhì)結(jié)光電晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明實施例中光電流和暗電流的擬合圖；
[0024]圖3為本發(fā)明實施例中光譜響應(yīng)的擬合圖；
[0025]圖4為本發(fā)明實施例中基區(qū)厚度優(yōu)化結(jié)果的比較圖；
[0026]圖5為本發(fā)明實施例中基區(qū)摻雜濃度優(yōu)化結(jié)果的比較圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[OO28 ]實施例:對I nGaAs-1 nP異質(zhì)結(jié)光電晶體管的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。
[0029]如圖1所示，該InGaAs-1nP異質(zhì)結(jié)光電晶體管的實際器件結(jié)構(gòu)從下到上為:厚度為500μπι、摻雜濃度為I X 1016/cm3(p型)的InP襯底，厚度為500nm、摻雜濃度為I X 1018/cm3(p型)的11^，厚度為30011111、摻雜濃度為5\1017/0113(?型)的11^，厚度為10011111、摻雜濃度為1\1016八1113(11型)的111().536&().4748基極，厚度為1000隨1、摻雜濃度為5\1017八1113(11型)的In0.53Ga0.47As，厚度為500nm、摻雜濃度為I X 118/0113(11型)的111().5363().47厶8，最上層為集電極，兩側(cè)為發(fā)射極，該器件最大光響應(yīng)率為26A/W，光電流增益為21.8，信噪比為2660。
[0030]現(xiàn)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，以增大異質(zhì)結(jié)光電晶體管光響應(yīng)度為目的，并以實際器件結(jié)構(gòu)基區(qū)不發(fā)生穿通現(xiàn)象為前提，提出新的晶體管集電極高低摻雜濃度為I X 11Vcm3?5 X11Vcm3，基區(qū)摻雜濃度為5 X 11Vcm3、基區(qū)厚度為90nm;確定基區(qū)與發(fā)射區(qū)之間本征層厚度為I Inm及基區(qū)材料摻雜最優(yōu)漸變范圍為In組分從0.53到0.4。
[0031]將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)加入仿真軟件中進行驗證。首先將實際器件結(jié)構(gòu)加入半導(dǎo)體仿真軟件Silvaco中，并將仿真實驗結(jié)果與實際性能實驗結(jié)果進行擬合，如圖2、3所示;保證仿真的可靠性后，對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)仿真其電流特性，驗證其優(yōu)化效果，如圖2、3所示為基區(qū)摻雜濃度與厚度的優(yōu)化結(jié)果對比。
[0032]將優(yōu)化后的器件結(jié)構(gòu)加入仿真軟件中進行仿真，并將結(jié)果與最初結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的的器件最大光響應(yīng)率為508A/W，光電流增益為420，信噪比為3469，比優(yōu)化前的性能得到明顯提高。
[0033]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，并不用于限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種基于InGaAs-1nP異質(zhì)結(jié)光電晶體管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟(I)根據(jù)異質(zhì)結(jié)光電晶體管的實際器件結(jié)構(gòu)和類型在仿真軟件中建立起相同的器件仿真模型； 步驟(2)將該異質(zhì)結(jié)光電晶體管的實際性能實驗結(jié)果與該器件仿真模型的在仿真軟件中的仿真實驗結(jié)果進行擬合，保證仿真的可靠性； 步驟(3)以增大光響應(yīng)度為目的，并以該異質(zhì)結(jié)光電晶體管基區(qū)不發(fā)生穿通現(xiàn)象為前提，優(yōu)化該異質(zhì)結(jié)光電晶體管的集電極高低摻雜濃度、基區(qū)摻雜濃度和基區(qū)厚度，并確定基區(qū)與發(fā)射區(qū)之間的本征層厚度及基區(qū)材料摻雜最優(yōu)漸變范圍，得到優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)； 步驟(4)將該器件仿真模型的結(jié)構(gòu)改成優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，再用仿真軟件中進行仿真實驗，把仿真實驗結(jié)果與結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的仿真實驗結(jié)果進行比較，驗證結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的有效性。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于InGaAs-1nP異質(zhì)結(jié)光電晶體管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，其特征在于:步驟(I)中所述的仿真軟件為半導(dǎo)體TCAD仿真軟件。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于InGaAs-1nP異質(zhì)結(jié)光電晶體管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，其特征在于:步驟(I)中所述的器件仿真模型包括迀移率模型、復(fù)合模型、載流子生成模型和載流子統(tǒng)計模型。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于InGaAs-1nP異質(zhì)結(jié)光電晶體管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，其特征在于:步驟(2)中所述的實際性能實驗結(jié)果和仿真實驗結(jié)果均包括光電流性能、暗電流性能和光譜響應(yīng)性能。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于InGaAs-1nP異質(zhì)結(jié)光電晶體管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的制備方法，其特征在于:步驟(3)中所述集電極高低摻雜濃度為I X 1019/cm3?5 X 1017/cm3。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于InGaAs-1nP異質(zhì)結(jié)光電晶體管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的制備方法，其特征在于:步驟(3)中所述的基區(qū)摻雜濃度為5 X 1017/cm3。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于InGaAs-1nP異質(zhì)結(jié)光電晶體管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的制備方法，其特征在于:步驟(3)中所述的基區(qū)厚度為90nm。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于InGaAs-1nP異質(zhì)結(jié)光電晶體管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的制備方法，其特征在于:步驟(3)中所述的基區(qū)與發(fā)射區(qū)之間的本征層厚度為llnm。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于InGaAs-1nP異質(zhì)結(jié)光電晶體管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的制備方法，其特征在于:步驟(3)中所述的基區(qū)材料摻雜最優(yōu)漸變范圍為In組分從0.53到0.4。
【文檔編號】H01L27/02GK105914254SQ201610236092
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】陳俊, 朱敏
【申請人】蘇州大學(xué)