專利名稱：基于區(qū)熔硅單晶的雙極光晶體管及其探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體光電探測器及其探測方法，屬于H01L 27/00類半導(dǎo)體器件雙極晶體管的結(jié)構(gòu)如果適合用來探測光并被用作光電探測器時，稱為雙極光晶體管(Bipolar Phototransistor)。其工作原理參閱文獻(xiàn)Naresh Ghand，etal.，“Gain of a Heterojunction Bipolar Phototransistor”，IEEETransactions on Electron Devices，Vol.ED-32，pp.622-627，1985。雙極光晶體管由于本身有內(nèi)部增益，一直受到人們的極大關(guān)注，得到了廣泛應(yīng)用。例如，雙極光晶體管可以用于光纖通訊中的前端接收(參閱Kamistuna，H.，etal.，“Ultrahigh-speed InP/InGaAs DHPTs for OEMMICs”，IEEE Transactionson Microwave Theory and Techniques，Vol.49，pp.1921-5，2001)，醫(yī)學(xué)中的X光探測(參閱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)，環(huán)境監(jiān)測(參閱Wen Tse Hsieh，et al.，“An a-SiGeH phototransistorintegrated with a Pd film on glass sustrate for hydrogenmonitoring”，IEEE Transactions on Electron Device，Val.47，pp.939-43，2000)，以及生物芯片測試(參閱T.Vo-Dinh，et al.，“DNA Biochip Using aPhototransistor Integrated Circuit”，Anal Chem，Vol.71，pp.358-363，1999)等。由于雙極光晶體管有內(nèi)部增益，因而探測靈敏度高，可以簡化輸出電子線路，減少寄生效應(yīng)，使探測器更加簡單可靠，適宜探測微弱光信號。
雙極光晶體管通常是以直拉單晶硅(參閱T.Vo-Dinh，et al.，“DNA BiochipUsing a Phototransistor Integrated Circuit”，Anal Chem，Vol.71，pp.358-363，1999)、多晶硅(參閱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族半導(dǎo)體材料(參閱Kamistuna，H.，et al.，“Ultrahigh-speed InP/InGaAs DHPTs forOEMMICs”，IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，Vol.49，pp.1921-5，2001)為襯底制作的。當(dāng)入射光信號較弱時，雙極光晶體管的增益較小，并隨光信號功率減小而減小。這是因為在這些器件中，少數(shù)載流子的注入、輸運與復(fù)合過程對器件的工作和性能有重大影響。光生電流比較弱時，發(fā)射結(jié)耗盡區(qū)中的復(fù)合中心產(chǎn)生的復(fù)合電流將在總發(fā)射極電流中占較大比例，這個復(fù)合電流分量并不會被集電結(jié)收集，對增益沒有貢獻(xiàn)，因而導(dǎo)致增益下降(參閱Dejun Han，et al.，″Ultrahigh SensitiveAlGaAs-GaAs Punch-Through Heterojunction Phototransistor″，IEEE PhotonnicsTechnology Letters，Vol.9，pp.1391-1393，1997)。這種現(xiàn)象對探測微弱光信號極為不利。雖然硅是間接帶隙的半導(dǎo)體材料，與鍺和其他III-V族半導(dǎo)體材料相比，少子復(fù)合速率較低。但很多雜質(zhì)，特別是重金屬雜質(zhì)會在其禁帶中間形成深能級，導(dǎo)致少子的復(fù)合速度加快。事實上，少子壽命反比于產(chǎn)生復(fù)合中心的濃度；雜質(zhì)濃度越高，少子壽命越短(參閱S.M.Sze，Physics of Semiconductor Devices，2nd Edition，JohnWiley，1981)。單晶硅材料中的雜質(zhì)缺陷，尤其是重金屬雜質(zhì)缺陷(如鐵、銅、鎳、金等)將直接導(dǎo)致大的復(fù)合電流，從而降低硅雙極光晶體管的增益。
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提出采用區(qū)熔硅單晶(FZ Silicon)來制作雙極光晶體管。區(qū)熔法是僅次于直拉法的第二主要生長硅單晶的方法。長期以來，區(qū)熔硅單晶主要用于電力電子器件以及采用p-i-n二極管結(jié)構(gòu)的核探測器的研究與生產(chǎn)中。沒有文獻(xiàn)報道或?qū)嶋H應(yīng)用區(qū)熔硅單晶來制作雙極光晶體管。區(qū)熔硅單晶的生長不需要坩堝，在制備過程中硅單晶除了與保護(hù)氣體接觸外不與其它任何材料直接接觸，因此區(qū)熔硅單晶比直拉硅單晶或其它半導(dǎo)體單晶材料有更高的純度(后者由于在生長過程中硅單晶與坩堝直接接觸，坩堝中的氧、碳、硼和其他金屬雜質(zhì)容易擴(kuò)散進(jìn)入硅單晶中)和更少的缺陷(參閱Stanley Wolf等，Silicon Processing for the VLSI Era，Vol.1ProcessTechnology，LatticePress，p.61-70，1986)。采用區(qū)熔硅單晶材料來制作雙極光晶體管，器件內(nèi)部的產(chǎn)生復(fù)合中心少，少子壽命長，復(fù)合電流小，有利于提高器件小信號增益特性，有利于提高探測器探測微弱光信號的靈敏度。
然而由于氧元素含量少，區(qū)熔硅單晶極易產(chǎn)生位錯(參閱Stanley Wolf等，Silicon Processing for the VLSI Era，Vol.1Process Technology，LatticePress，p.61-70，1986)。而且在器件制作過程中各種沾污無處不在。區(qū)熔硅單晶中的少子壽命對容易引入和激活雜質(zhì)，甚至導(dǎo)致位錯的高溫過程非常敏感。減少高溫過程、避免急劇升降溫、在所有高溫過程中避免沾污(尤其是金屬沾污)等是解決這些問題的重要方法。外部吸雜，即在硅片背面淀積一層摻磷多晶硅也是解決這些問題的有效途徑(參閱S.Holland，“Fabrication of detectors andtransistors on high-resistivity silicon”，Nucl.Instr.and Meth.，A275，537，1989)。
另外，通常的硅光晶體管入射光從器件的正面(及靠近集電結(jié)的表面)進(jìn)入器件，表面金屬電極的遮光作用以及發(fā)射區(qū)硅材料的吸光效應(yīng)對雙極光晶體管工作帶來不利影響。針對這一問題，本發(fā)明的目的是提出采用器件背面接受光入射來探測光信號的方法。高純區(qū)熔硅單晶的電阻率高，在較低的反向偏置電壓下，pn結(jié)耗盡區(qū)寬度較大。例如，在電阻率為4000歐姆厘米、厚度為300微米的硅片上制作的雙極光晶體管，僅需要約70伏的反向偏置電壓就能使集電結(jié)的耗盡區(qū)從表面擴(kuò)展到背面。在這種情況下，信號光從背面入射進(jìn)入探測器，耗盡區(qū)中的電場仍能將靠近背面的光生載流子分離開，能夠得到足夠高的量子效率，能夠克服正面入射帶來的問題。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種基于區(qū)熔硅單晶材料的新型雙極光晶體管，其特征在于制作該器件的半導(dǎo)體材料為高純區(qū)熔硅單晶片，每個器件由二個pn結(jié)組成，所述二個pn結(jié)之間夾一導(dǎo)電層，稱為基區(qū)；所述二個pn結(jié)外的導(dǎo)電層分別稱為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)；基區(qū)與發(fā)射區(qū)、集電區(qū)交界處形成發(fā)射結(jié)和集電結(jié)；發(fā)射區(qū)外側(cè)制有稱為發(fā)射極的電極、集電區(qū)的外側(cè)制有稱為集電極的電極、基區(qū)外側(cè)可以有電極(稱為基極)，也可以無電極。
所述區(qū)熔硅單晶片的純度和電阻率高(例如，電阻率在10-10萬歐姆厘米)。
所述雙極光晶體管為n-p-n或p-n-p基本結(jié)構(gòu)。
所述區(qū)熔硅單晶片可以是n型(施主摻雜)或p型(受主摻雜)；晶向可以是<100>、<111>或<110>。
所述區(qū)熔硅單晶片的背面有一外吸雜層，可以是一摻磷多晶硅或由離子注入、擴(kuò)散等方法形成。
由所述新型雙極光晶體管作為基本結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)造出分立的或集成在同一芯片上的器件陣列或含有所述基本結(jié)構(gòu)的集成電路或集成光電子線路。
本發(fā)明的新型雙極光晶體管用于探測光信號，其方法是被測光信號從所述區(qū)熔硅單晶片的背面入射進(jìn)入器件。所述高純區(qū)熔硅單晶片電阻率足夠高、器件偏置電壓足夠大，以使反向偏置的集電結(jié)的耗盡區(qū)從正面擴(kuò)展到背面。器件工作時所述基極電極懸空。
所述光信號指紅外光、可見光、紫外光(波長范圍是0.2-1.1微米)及X光(能量范圍是1-60keV)。
所述新型雙極光晶體管背面電極采用透明導(dǎo)電膜，例如氧化銦錫(ITO)膜作為電極材料。
由于所述新型雙極光晶體管采用純度高、少子壽命長的區(qū)熔硅單晶片來制作，在器件制作的工藝過程中引入外吸雜方法，從而保證了材料的少子壽命。使得本發(fā)明的新型雙極光晶體管在極弱的光信號下，仍然能得到很高的增益。
以下結(jié)合實施例具體說明本發(fā)明。


圖1所示為基于n型高純區(qū)熔(FZ)硅單晶片的雙極光晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。器件包括p型基區(qū)1(摻雜受主區(qū))、n+型發(fā)射區(qū)2(重?fù)诫s施主區(qū))、n-型集電區(qū)3(輕摻雜施主區(qū))?；鶇^(qū)1與發(fā)射區(qū)2、集電區(qū)3交界處分別形成發(fā)射結(jié)、集電結(jié)，發(fā)射區(qū)2的外側(cè)制有鋁電極(發(fā)射極)4；集電區(qū)3的外側(cè)制有集電極5(采用透明導(dǎo)電膜氧化銦錫(ITO))。二氧化硅絕緣介質(zhì)膜6，集電區(qū)3外有摻磷多晶硅外吸雜層7。
器件采用雙面拋光(即正面和背面都拋光)、<100>晶向、4000歐姆厘米、n型區(qū)熔硅單晶片制作，其厚度為280微米。摻磷多晶硅外吸雜層厚度為10納米。ITO膜厚度為57納米，兼做集電極和減反射膜。
使用本發(fā)明新型雙極光晶體管探測光信號的方法是集電極5相對于發(fā)射極4加正電壓，基區(qū)懸空，反向偏置的集電結(jié)耗盡區(qū)從正面擴(kuò)展到背面，被探測光信號由背面入射進(jìn)入器件。
通過測量發(fā)射極4-集電極5之間的光電流就可確定入射光功率大小。
在本發(fā)明的其它實施例中新型雙極光晶體管采用p型高純區(qū)熔硅單晶片制作。
高純區(qū)熔硅單晶片的晶向為<111>或<110>。
高純區(qū)熔硅單晶片電阻率為10-10萬歐姆厘米。
高純區(qū)熔硅單晶片厚度100微米-5毫米。
雙極器件可以是由n-p-n基本結(jié)構(gòu)，或p-n-p基本結(jié)構(gòu)構(gòu)造出的分立的或集成在同一芯片上的陣列或其它變種形式的結(jié)構(gòu)。
基區(qū)外制有基極電極。
摻磷多晶硅外吸雜層的厚度為10納米-10微米。
光信號從器件正面入射進(jìn)入器件。
需要說明的是，上述實施例僅為說明本發(fā)明而非限制本發(fā)明的專利范圍，任何基于本發(fā)明的等同變換技術(shù)，均應(yīng)在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種新型雙極光晶體管，其特征在于制作該器件的半導(dǎo)體材料為高純區(qū)熔硅單晶片，每個器件由二個pn結(jié)組成，所述二個pn結(jié)之間夾一導(dǎo)電層，稱為基區(qū)；所述二個pn結(jié)外的導(dǎo)電層分別稱為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)；基區(qū)與發(fā)射區(qū)、集電區(qū)交界處形成發(fā)射結(jié)和集電結(jié)；發(fā)射區(qū)外側(cè)制有稱為發(fā)射極的電極、集電區(qū)的外側(cè)制有稱為集電極的電極，基區(qū)外側(cè)可以有稱為基極的電極也可以無電極。
2.如權(quán)利要求1所述的新型雙極光晶體管，其特征在于所述區(qū)熔硅單晶片電阻率高(例如，電阻率在10-10萬歐姆厘米)，厚度為100微米-5毫米。
3.如權(quán)利要求1所述的新型雙極光晶體管，其特征在于該器件具有n-p-n基本結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的新型雙極光晶體管，其特征在于該器件具有p-n-p基本結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的新型雙極光晶體管，其特征在于所述區(qū)熔硅單晶片是<100>、<110>或<111>晶向。
6.如權(quán)利要求1所述的新型雙極光晶體管，其特征在于所述區(qū)熔硅單晶片為單面或雙面拋光片。
7.如權(quán)利要求1所述的新型雙極光晶體管，其特征在于所述區(qū)熔硅單晶片背面有一外吸雜層。
8.如權(quán)利要求1所述的新型雙極光晶體管，其特征在于如權(quán)利要求7所述的外吸雜層為一摻磷多晶硅膜，厚度為10納米-10微米。
9.如權(quán)利要求1所述的新型雙極光晶體管，其特征在于由如權(quán)利要求3所述n-p-n基本結(jié)構(gòu)組成的分立、單片集成陣列或含有所述基本結(jié)構(gòu)的集成電路或集成光電子線路。
10.如權(quán)利要求1所述的新型雙極光晶體管，其特征在于由如權(quán)利要求4所述p-n-p基本結(jié)構(gòu)組成的分立、單片集成陣列或含有所述基本結(jié)構(gòu)的集成電路或集成光電子線路。
11.一種使用權(quán)利要求1所述的新型雙極光晶體管探測光信號的方法，其特征在于器件工作時，被測光信號從如權(quán)利要求1所述區(qū)熔硅單晶片的背面入射進(jìn)入器件。所述高純區(qū)熔硅單晶電阻率足夠高、器件偏置電壓足夠大，以使集電結(jié)的耗盡區(qū)從正面擴(kuò)展到背面。如權(quán)力要求1所述的基極懸空。
12.如權(quán)利要求11所述的光信號指紅外光、可見光、紫外光(波長范圍是0.2-1.1微米)或X光(能量范圍是1-60keV)。
13.如權(quán)利要求1所述的新型雙極光晶體管按如權(quán)利要求11所述探測方法，其特征在于器件的背面電極采用透明導(dǎo)電膜，例如氧化銦錫(ITO)膜，兼做集電極和減反射膜，其厚度為10納米-10微米。
全文摘要
本發(fā)明基于區(qū)熔硅單晶的雙極光晶體管采用區(qū)熔硅單晶片來制作。由于區(qū)熔硅單晶的生長不需要坩堝，在制備過程中硅單晶除了與保護(hù)氣體接觸外不與其它任何材料直接接觸，因此區(qū)熔硅單晶比直拉硅單晶或其它半導(dǎo)體單晶材料有更高的純度、更少的雜質(zhì)缺陷。采用區(qū)熔硅單晶制作的雙極器件，缺陷(包括重金屬雜質(zhì))少，因而產(chǎn)生復(fù)合中心少，少子的壽命長，能夠極大地提高雙極光晶體管小信號增益特性，提高探測微弱光信號的靈敏度。本發(fā)明采用器件背面接受光入射來探測光信號的方法，能夠克服正面金屬電極的遮光作用以及發(fā)射區(qū)硅材料的吸光效應(yīng)，有利于提高雙極光晶體管的性能。
文檔編號G01J1/00GK1581517SQ03153378
公開日2005年2月16日 申請日期2003年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月12日
發(fā)明者韓德俊 申請人:北京師范大學(xué)