CN105914254B - 一种基于InGaAs‑InP异质结光电晶体管的结构优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于InGaAs‑InP异质结光电晶体管的结构优化方法，包括以下步骤：根据异质结光电晶体管的实际结构和类型在仿真软件中建立起相同的仿真模型；将该异质结光电晶体管的实际性能与该仿真模型的仿真实验结果进行拟合；以增大光响应度为目的，并以该异质结光电晶体管基区不发生穿通现象为前提，优化该异质结光电晶体管的集电极高低掺杂浓度、基区掺杂浓度和基区厚度，并确定基区与发射区之间的本征层厚度及基区材料掺杂最优渐变范围，得到优化后的结构；将该仿真模型改成优化后的结构，再进行仿真实验，把仿真实验结果与结构优化前的仿真实验结果进行比较，验证结构优化后的有效性。该方法能够对结构进行优化设计，给出确切的结构参数，提高性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外光电探测领域，尤其涉及一种基于InGaAs-InP异质结光电晶体管的结构优化方法。
背景技术
近20年来，光电集成电路(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测器。p-i-n光电二极管和雪崩光电二极管(APD)是目前较为广泛的光探测器，但p-i-n光电二极管没有内部增益，因此在入射光功率较小时，响应度很低；APD利用雪崩倍增机制来实现探测，但其工作电压高，且具有较大的雪崩噪声。异质结光电晶体管(HPT)近年来发展迅速，因其具有光增益、响应度高、工作电压低、不存在雪崩噪声等优点，极有可能取代p-i-n光电二极管和雪崩光电二极管。目前，HPT作为高性能光电探测器已广泛应用于微波光子通信系统，不同材料体系的HPT也被大量报道。
目前已有很多关于提高异质结光电晶体管性能的文献报道，如：1.晶体管基区材料组分渐变能产生较大的电场，加快基区内载流子的输运。2.在异质结晶体管中，发射区材料组分渐变，可以降低异质结界面处的电子势垒，增大发射极注入效率。3.在发射区与基区之间插入一层薄的本征层可以防止基区杂质向发射区扩散。4.在NPN型异质结晶体管中，保持较低的基区掺杂浓度可增加电子扩散长度以提高晶体管的增益。5.薄的、均匀的基区能减少基区载流子复合，从而获得较高的基区输运效率。
尽管提高异质结晶体管增益的报道有很多，但很多方面都存在不全面、不精确的缺点。如降低基区掺杂浓度虽然能增大器件增益，但却会带来较高的基区电阻，从而导致器件的截止频率降低，器件也更容易发生穿通现象，光电流、暗电流会同时放大；薄的、均匀的基区虽然能减少基区载流子复合，但器件在偏压较小的情况下就容易发生穿通现象，导致暗电流过大。因此，异质结光电晶体管各结构参数的优化最终都应有一个较为合适的值，材料组分渐变的范围、插入的本征层厚度也应存在最佳值。目前，还没有一套较为系统的异质结光电晶体管性能优化的综合报道。
有鉴于上述的内容，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种基于InGaAs-InP异质结光电晶体管的结构优化方法，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于InGaAs-InP异质结光电晶体管的结构优化方法，能够对结构进行优化设计，给出确切的结构参数，提高性能。
本发明提出的一种基于InGaAs-InP异质结光电晶体管的结构优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)根据异质结光电晶体管的实际器件结构和类型在仿真软件中建立起相同的器件仿真模型；
步骤(2)将该异质结光电晶体管的实际性能实验结果与该器件仿真模型的在仿真软件中的仿真实验结果进行拟合，保证仿真的可靠性；
步骤(3)以增大光响应度为目的，并以该异质结光电晶体管基区不发生穿通现象为前提，优化该异质结光电晶体管的集电极高低掺杂浓度、基区掺杂浓度和基区厚度，并确定基区与发射区之间的本征层厚度及基区材料掺杂最优渐变范围，得到优化后的结构；
步骤(4)将该器件仿真模型的结构改成优化后的结构，再用仿真软件中进行仿真实验，把仿真实验结果与结构优化前的仿真实验结果进行比较，验证结构优化后的有效性。
作为本发明方法的进一步改进，步骤(1)中所述的仿真软件为半导体TCAD仿真软件。
作为本发明方法的进一步改进，步骤(1)中所述的器件仿真模型包括迁移率模型、复合模型、载流子生成模型和载流子统计模型。
作为本发明方法的进一步改进，步骤(2)中所述的实际性能实验结果和仿真实验结果均包括光电流性能、暗电流性能和光谱响应性能。
作为本发明方法的进一步改进，步骤(3)中所述集电极高低掺杂浓度为1×1019/cm3～5×1017/cm3。
作为本发明方法的进一步改进，步骤(3)中所述的基区掺杂浓度为5×1017/cm3。
作为本发明方法的进一步改进，步骤(3)中所述的基区厚度为90nm。
作为本发明方法的进一步改进，步骤(3)中所述的基区与发射区之间的本征层厚度为11nm。
作为本发明方法的进一步改进，步骤(3)中所述的基区材料掺杂最优渐变范围为In组分从0.53到0.4。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明提出的基于InGaAs-InP异质结光电晶体管的结构优化方法，能够对结构进行优化设计，给出确切的结构参数，提高性能，从而可以制作出高性能的红外探测器件。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明实施例中InGaAs-InP异质结光电晶体管的结构示意图；
图2为本发明实施例中光电流和暗电流的拟合图；
图3为本发明实施例中光谱响应的拟合图；
图4为本发明实施例中基区厚度优化结果的比较图；
图5为本发明实施例中基区掺杂浓度优化结果的比较图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例：对InGaAs-InP异质结光电晶体管的结构进行优化。
如图1所示，该InGaAs-InP异质结光电晶体管的实际器件结构从下到上为：厚度为500μm、掺杂浓度为1×1016/cm3(p型)的InP衬底，厚度为500nm、掺杂浓度为1×1018/cm3(p型)的InP，厚度为300nm、掺杂浓度为5×1017/cm3(p型)的InP，厚度为100nm、掺杂浓度为1×1016/cm3(n型)的In0.53Ga0.47As基极，厚度为1000nm、掺杂浓度为5×1017/cm3(n型)的In0.53Ga0.47As，厚度为500nm、掺杂浓度为1×1018/cm3(n型)的In0.53Ga0.47As，最上层为集电极，两侧为发射极，该器件最大光响应率为26A/W，光电流增益为21.8，信噪比为2660。
现优化器件结构，以增大异质结光电晶体管光响应度为目的，并以实际器件结构基区不发生穿通现象为前提，提出新的晶体管集电极高低掺杂浓度为1×1019/cm3～5×1017/cm3，基区掺杂浓度为5×1017/cm3、基区厚度为90nm；确定基区与发射区之间本征层厚度为11nm及基区材料掺杂最优渐变范围为In组分从0.53到0.4。
将优化后的结构加入仿真软件中进行验证。首先将实际器件结构加入半导体仿真软件Silvaco中，并将仿真实验结果与实际性能实验结果进行拟合，如图2、3所示；保证仿真的可靠性后，对优化后的结构仿真其电流特性，验证其优化效果，如图2、3所示为基区掺杂浓度与厚度的优化结果对比。
将优化后的器件结构加入仿真软件中进行仿真，并将结果与最初结果进行比较，发现结构优化后的的器件最大光响应率为508A/W，光电流增益为420，信噪比为3469，比优化前的性能得到明显提高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于InGaAs-InP异质结光电晶体管的结构优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)根据异质结光电晶体管的实际器件结构和类型在仿真软件中建立起相同的器件仿真模型；
步骤(2)将该异质结光电晶体管的实际性能实验结果与该器件仿真模型的在仿真软件中的仿真实验结果进行拟合，保证仿真的可靠性；
步骤(3)以增大光响应度为目的，并以该异质结光电晶体管基区不发生穿通现象为前提，优化该异质结光电晶体管的集电极高低掺杂浓度、基区掺杂浓度和基区厚度，并确定基区与发射区之间的本征层厚度及基区材料掺杂最优渐变范围，得到优化后的结构；
步骤(4)将该器件仿真模型的结构改成优化后的结构，再用仿真软件中进行仿真实验，把仿真实验结果与结构优化前的仿真实验结果进行比较，验证结构优化后的有效性；
步骤(1)中所述的仿真软件为半导体TCAD仿真软件；
步骤(1)中所述的器件仿真模型包括迁移率模型、复合模型、载流子生成模型和载流子统计模型；
步骤(2)中所述的实际性能实验结果和仿真实验结果均包括光电流性能、暗电流性能和光谱响应性能；
步骤(3)中所述集电极高低掺杂浓度为1×1019/cm3～5×1017/cm3；
步骤(3)中所述的基区掺杂浓度为5×1017/cm3；
步骤(3)中所述的基区厚度为90nm；
步骤(3)中所述的基区与发射区之间的本征层厚度为11nm；
步骤(3)中所述的基区材料掺杂最优渐变范围为In组分从0.53到0.4。
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| InGaAs-InP异质结光晶体管的器件设计与理论研究;邢文俊;《南开大学硕士学位论文》;20130517;43-93页 * |
| Optimization of InP-InGaAs HPT Gain:Design of an Opto-Microwave Monolithic Amplifier;Jean-Luc Polleux et al.;《IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES》;20040315;871-881 * |
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