CN100367519C - 基于区熔硅单晶的双极光晶体管及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于区熔硅单晶的双极光晶体管采用区熔硅单晶片来制作。由于区熔硅单晶的生长不需要坩埚，在制备过程中硅单晶除了与保护气体接触外不与其它任何材料直接接触，因此区熔硅单晶比直拉硅单晶或其它半导体单晶材料有更高的纯度、更少的杂质缺陷。采用区熔硅单晶制作的双极器件，缺陷(包括重金属杂质)少，因而产生复合中心少，少子的寿命长，能够极大地提高双极光晶体管小信号增益特性，提高探测微弱光信号的灵敏度。本发明采用器件背面接受光入射来探测光信号的方法，能够克服正面金属电极的遮光作用以及发射区硅材料的吸光效应，有利于提高双极光晶体管的性能。

Description

基于区熔硅单晶的双极光晶体管及其探测方法

本发明涉及一种半导体光电探测器及其探测方法，属于H01L27/00类半导体器件技术领域。

双极晶体管的结构如果适合用来探测光并被用作光电探测器时，称为双极光晶体管(Bipolar Phototransistor)。其工作原理参阅文献Naresh Ghand，etal.，“Gain of a Heterojunction Bipolar Phototransistor”，IEEETransactions on Electron Devices，Vol.ED-32，pp.622-627，1985。双极光晶体管由于本身有内部增益，一直受到人们的极大关注，得到了广泛应用。例如，双极光晶体管可以用于光纤通讯中的前端接收(参阅Kamistuna，H.，etal.，“Ultrahigh-speed InP/InGaAs DHPTs for OEMMICs”，IEEE Transactionson Microwave Theory and Techniques，Vol.49，pp.1921-5，2001)，医学中的X光探测(参阅Abdallah，et al.，“A scintillator-coated phototransistorpixel sensor with dark current cancellation”，8th IEEE InternationalConference on Electronics，Circuits and Systems，vol.2，pp.663-7，2001)，环境监测(参阅Wen Tse Hsieh，et al.，“An a-SiGe：H phototransistorintegrated with a Pd film on glass sustrate for hydrogenmonitoring”，IEEE Transactions on Electron Device，Vol.47，pp.939-43，2000)，以及生物芯片测试(参阅T.Vo-Dinh，et al.，“DNA Biochip Using aPhototransistor Integrated Circuit”，Anal Chem，Vol.71，pp.358-363，1999)等。由于双极光晶体管有内部增益，因而探测灵敏度高，可以简化输出电子线路，减少寄生效应，使探测器更加简单可靠，适宜探测微弱光信号。

双极光晶体管通常是以直拉单晶硅(参阅T.Vo-Dinh，et al.，“DNA BiochipUsing a Phototransistor Integrated Circuit”，Anal Chem，Vol.71，pp.358-363，1999)、多晶硅(参阅Nascetti，A.et al.，“Amorphous silicon photo-transistor as nonlinear optical device for high dynamic range imagers”，IEEETransactions on Electron Devices，Vol.49，pp.395-9，2002)或III-V族半导体材料(参阅Kamistuna，H.，et al.，“Ultrahigh-speed InP/InGaAs DHPTs forOEMMICs”，IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，Vol.49，pp.1921-5，2001)为衬底制作的。当入射光信号较弱时，双极光晶体管的增益较小，并随光信号功率减小而减小。这是因为在这些器件中，少数载流子的注入、输运与复合过程对器件的工作和性能有重大影响。光生电流比较弱时，发射结耗尽区中的复合中心产生的复合电流将在总发射极电流中占较大比例，这个复合电流分量并不会被集电结收集，对增益没有贡献，因而导致增益下降(参阅Dejun Han，et al.，″Ultrahigh SensitiveAlGaAs-GaAs Punch-Through Heterojunction Phototransistor″，IEEE PhotonnicsTechnology Letters，Vol.9，pp.1391-1393，1997)。这种现象对探测微弱光信号极为不利。虽然硅是间接带隙的半导体材料，与锗和其他III-V族半导体材料相比，少子复合速率较低。但很多杂质，特别是重金属杂质会在其禁带中间形成深能级，导致少子的复合速度加快。事实上，少子寿命反比于产生复合中心的浓度；杂质浓度越高，少子寿命越短(参阅S.M.Sze，Physics of Semiconductor Devices，2nd Edition，JohnWiley，1981)。单晶硅材料中的杂质缺陷，尤其是重金属杂质缺陷(如铁、铜、镍、金等)将直接导致大的复合电流，从而降低硅双极光晶体管的增益。另外，现有双极晶体管还存在线性度较差、响应速度较慢的问题。

针对上述问题，本发明的目的是提出采用区熔硅单晶(FZ Silicon)来制作双极光晶体管。并且，光晶体管工作时其集电结的耗尽区从正面扩展到背面。区熔法是仅次于直拉法的第二主要生长硅单晶的方法。长期以来，区熔硅单晶主要用于电力电子器件以及采用p-i-n二极管结构的核探测器的研究与生产中。没有文献报道或实际应用区熔硅单晶来制作双极光晶体管。区熔硅单晶的生长不需要坩埚，在制备过程中硅单晶除了与保护气体接触外不与其它任何材料直接接触，因此区熔硅单晶比直拉硅单晶或其它半导体单晶材料有更高的纯度(后者由于在生长过程中硅单晶与坩埚直接接触，坩埚中的氧、碳、硼和其他金属杂质容易扩散进入硅单晶中)和更少的缺陷(参阅Stanley Wolf等，Silicon Processing for the VLSI Era，Vol.1：Process Technology，LatticePress，p.61-70，1986)。采用区熔硅单晶材料来制作双极光晶体管，器件内部的产生复合中心少，少子寿命长，复合电流小，有利于提高器件小信号增益特性，有利于提高探测器探测微弱光信号的灵敏度。

然而由于氧元素含量少，区熔硅单晶极易产生位错(参阅Stanley Wolf等，Silicon Processing for the VLSI Era，Vol.1：Process Technology，LatticePress，p.61-70，1986)。而且在器件制作过程中各种沾污无处不在。区熔硅单晶中的少子寿命对容易引入和激活杂质，甚至导致位错的高温过程非常敏感。减少高温过程、避免急剧升降温、在所有高温过程中避免沾污(尤其是金属沾污)等是解决这些问题的重要方法。外部吸杂，即在硅片背面淀积一层掺磷多晶硅也是解决这些问题的有效途径(参阅S.Holland，“Fabrication of detectors andtransistors on high-resistivity silicon”，Nucl.Instr.and Meth.，A275，537，1989)。

另外，通常的硅光晶体管入射光从器件的正面(及靠近集电结的表面)进入器件，表面金属电极的遮光作用以及发射区硅材料的吸光效应对双极光晶体管工作带来不利影响。针对这一问题，本发明的目的是提出采用器件背面接受光入射来探测光信号的方法。高纯区熔硅单晶的电阻率高，在较低的反向偏置电压下，pn结耗尽区宽度较大。例如，在电阻率为4000欧姆厘米、厚度为300微米的硅片上制作的双极光晶体管，仅需要约70伏的反向偏置电压就能使集电结的耗尽区从表面扩展到背面。在这种情况下，信号光从背面入射进入探测器，耗尽区中的电场仍能将靠近背面的光生载流子分离开，能够得到足够高的量子效率，能够克服正面入射带来的问题。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种基于区熔硅单晶材料的新型双极光晶体管，其特征在于：制作该器件的半导体材料为高纯区熔硅单晶片，每个器件由二个pn结组成，所述二个pn结之间夹一导电层，称为基区；所述二个pn结外的导电层分别称为发射区和集电区；基区与发射区、集电区交界处形成发射结和集电结；发射区外侧制有称为发射极的电极、集电区的外侧制有称为集电极的电极、基区外侧可以有电极(称为基极)，也可以无电极。

所述区熔硅单晶片的纯度和电阻率高(例如，电阻率在10-10万欧姆厘米)。

所述双极光晶体管为n-p-n或p-n-p基本结构。

所述区熔硅单晶片可以是n型(施主掺杂)或p型(受主掺杂)；晶向可以是<100>、<111>或<110>。

所述区熔硅单晶片的背面有一外吸杂层，可以是一掺磷多晶硅或由离子注入、扩散等方法形成。

由所述新型双极光晶体管作为基本结构，可以构造出分立的或集成在同一芯片上的器件阵列或含有所述基本结构的集成电路或集成光电子线路。

本发明的新型双极光晶体管用于探测光信号，其方法是：被测光信号从所述区熔硅单晶片的背面入射进入器件。所述高纯区熔硅单晶片电阻率足够高、器件偏置电压足够大，以使反向偏置的集电结的耗尽区从正面扩展到背面。器件工作时所述基极电极悬空。

所述光信号指红外光、可见光、紫外光(波长范围是0.2-1.1微米)及X光(能量范围是1-60keV)。

所述新型双极光晶体管背面电极采用透明导电膜，例如氧化铟锡(ITO)膜作为电极材料。

由于所述新型双极光晶体管采用纯度高、少子寿命长的区熔硅单晶片来制作，在器件制作的工艺过程中引入外吸杂方法，从而保证了材料的少子寿命。使得本发明的新型双极光晶体管在极弱的光信号下，仍然能得到很高的增益。

以下结合实施例具体说明本发明。

图1所示为基于n型高纯区熔(FZ)硅单晶片的双极光晶体管的结构示意图。器件包括p型基区1(掺杂受主区)、n⁺型发射区2(重掺杂施主区)、n^--型集电区3(轻掺杂施主区)。基区1与发射区2、集电区3交界处分别形成发射结、集电结，发射区2的外侧制有铝电极(发射极)4；集电区3的外侧制有集电极5(采用透明导电膜氧化铟锡(ITO))。二氧化硅绝缘介质膜6，集电区3外有掺磷多晶硅外吸杂层7。

器件采用双面抛光(即正面和背面都抛光)、<100>晶向、4000欧姆厘米、n型区熔硅单晶片制作，其厚度为280微米。掺磷多晶硅外吸杂层厚度为10纳米。ITO膜厚度为57纳米，兼做集电极和减反射膜。

使用本发明新型双极光晶体管探测光信号的方法是：集电极5相对于发射极4加正电压，基区悬空，反向偏置的集电结耗尽区从正面扩展到背面。被探测光信号由背面入射进入器件。通过测量发射极4-集电极5之间的光电流就可确定入射光功率大小。

在本发明的其它实施例中：

新型双极光晶体管采用p型高纯区熔硅单晶片制作。

高纯区熔硅单晶片的晶向为<111>或<110>。

高纯区熔硅单晶片电阻率为10-10万欧姆厘米。

高纯区熔硅单晶片厚度100微米-5毫米。

双极器件可以是由n-p-n基本结构，或p-n-p基本结构构造出的分立的或集成在同一芯片上的阵列或其它变种形式的结构。

基区外制有基极电极。

掺磷多晶硅外吸杂层的厚度为10纳米-10微米。

光信号从器件正面入射进入器件。

需要说明的是，上述实施例仅为说明本发明而非限制本发明的专利范围，任何基于本发明的等同变换技术，均应在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种双极光晶体管，其特征在于：

制作该器件的半导体材料为高纯区熔硅单晶片，每个器件由二个pn结组成，所述二个pn结之间夹一导电层，称为基区；所述二个pn结外的导电层分别称为发射区和集电区；基区与发射区、集电区交界处形成发射结和集电结；发射区外侧制有称为发射极的电极、集电区的外侧制有称为集电极的电极，基区外侧可以有称为基极的电极也可以无电极。

2.如权利要求1所述的双极光晶体管，其特征在于：所述区熔硅单晶片电阻率为10-10万欧姆厘米，厚度为100微米-5毫米。

3.如权利要求1所述的双极光晶体管，其特征在于：该器件具有n-p-n基本结构。

4.如权利要求1所述的双极光晶体管，其特征在于：该器件具有p-n-p基本结构。

5.如权利要求1所述的双极光晶体管，其特征在于：所述区熔硅单晶片是<100>、<110>或<111>晶向。

6.如权利要求1所述的双极光晶体管，其特征在于：所述区熔硅单晶片为单面或双面抛光片。

7.如权利要求1所述的双极光晶体管，其特征在于：器件的背面电极采用透明导电膜氧化铟锡(ITO)膜，兼做集电极和减反射膜，其厚度为10纳米-10微米。

8.一种使用权利要求1所述的双极光晶体管探测光信号的方法，其特征在于：

器件工作时，被测光信号从如权利要求1所述区熔硅单晶片的背面入射进入器件，集电结的耗尽区从正面扩展到背面。如权力要求1所述的基极悬空。

9.如权利要求8所述的光信号指红外光、可见光、紫外光，其波长范围是0.2-1.1微米；或X光，能量范围是1-60keV。

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