杨茹，e-mail: yangru@bnu.edu.cn 新结构光电晶体管的研究 周虹珊，杨茹*，李国辉，梁琨，韩德俊，李秀芝，田喜卓 (北京师范大学核科学与技术学院 ) 杨茹，e-mail: yangru@bnu.edu.cn
主要内容 引言——研究背景 光晶体管的工作原理 光晶体管的结构设计 器件特性测量结果与讨论 结论与总结
引言 在医学成像和射线探测等领域，光电探测器是一个重要的组成部分。目前，硅材料的光电探测器平面工艺成熟，量子效率高、漏电小，因此受到了广泛的关注。近年来开始发展的有PIN二极管、雪崩光电倍增探测器(APD)、光电晶体管等。
引言 光电探测器 增益 优点 缺点 PIN二极管 无内部增益 噪声低 没有内部增益，限制了它在微弱光信号探测领域中的应用 雪崩倍增光电二极管 高探测效率、大动态范围 对温度和工作偏压非常敏感，较难控制。受雪崩引起的过剩噪声影响，其噪声特性不如光晶体管好 光晶体管 有高的内部增益 当入射光信号较弱时，表面界面复合影响增大，致使光晶体管的增益降低，信噪比下降。
光晶体管工作原理 图2：光晶体管等效电路示意图 图1：光晶体管一维结构示意图 图3：光晶体管能带示意图
光晶体管结构设计 材料 单抛N型<100>区熔硅片（电阻率大于5kΩ·cm），厚度525μm 纵向结构 NPN型。发射区深度为2000A，浓度为1~2×1019/cm3。 基区厚度5500 Å，浓度5×1016/cm3。 横向结构 发射区直径为0.25mm，基区直径0.3mm，隔离环位于发射极边缘内侧，宽度为0.01mm 区熔硅材料：杂质含量少、少子寿命长 图4：光晶体管剖面示意图 图5：光晶体管俯视示意图
隔离环结构工作原理 将内外基区隔离，减小外基区暗电流和光电流带来的影响 使发射极的电流集中在中心区,会聚光电子电流 图6：隔离环结构工作原理示意图 将内外基区隔离，减小外基区暗电流和光电流带来的影响 使发射极的电流集中在中心区,会聚光电子电流 减小了表面复合对小信号电流的影响，对噪声有一定的抑制作用
光晶体管结构设计 本研究中采用区熔硅材料，减低了直拉单晶硅技术中不可避免的重金属掺杂。并采用低掺杂基区，使工作时基区全部耗尽，有效的基区较薄，提高了光电增益和响应速度。另外，在器件的发射极采用的隔离环电极结构，能够进一步提高弱光下的增益。
测量结果与讨论 光晶体管的响应是通过Agilent-4156C测得，光源是一个发射波长为850nm的激光器，光通过光纤耦合至光晶体管的入射窗口，通过调节激光器的激发电流调节入射光功率。在不加隔离环电极电压的情况下，光增益为： 其中q为电子电荷，h为普朗克常数，ν是光的频率。 灵敏度S与光电增益的换算常数α只随入射光频率改变。在λ=850nm时，α=1.455WA-1。
规律与趋势 图7和图8分别是P0=0.014nW和P0=0.07nW时,不同VGE（隔离环电压）下光晶体管的输出光电流随VCE变化曲线图。 图7：P0=0.014nW时光晶体管的输出光电流随VCE变化曲线图 图8：P0=0.07nW时光晶体管的输出光电流随VCE变化曲线图
图7：P0=0.014nW时光晶体管的输出光电流随VCE变化曲线图 规律与趋势 隔离环电压能带来光电流的额外增益，光增益随着VGE的增大而增大，并在VGE=1V时趋于饱和 图7：P0=0.014nW时光晶体管的输出光电流随VCE变化曲线图
规律与趋势 测量不同入射光功率下光电流输出，得到图9是光电增益G随入射功率及VGE的变化关系。 加隔离环电极后总的增益G=G0*K，隔离环电极提供的额外增益K随光功率变化的关系如图10。 入射光功率为0.014nW，VGE=1.5V时，额外增益K最大为4.3。光晶体管的总增益可达到934（VCE=5V，VGE=1.5V）。 图9 图10
图9：光电增益G随入射功率及VGE的变化关系 在所测量的入射光功率范围： （0.014-2.61nW）， 隔离环的正向偏压都能带来额外的增益，弱光信号下尤为明显。 图9：光电增益G随入射功率及VGE的变化关系
图10：隔离环额外增益K随光功率变化的关系图
结论 本研究表明，对于所研制的NPN结构的光晶体管，发射区表面的环状隔离环电极加少量正向偏压时，能够额外增大光电晶体管的增益，而且在所测量的0.014～2.61nW的入射光功率范围内，信号越弱增益越大，能够明显提高微弱光下的探测灵敏度。通过优化器件工艺，降低晶体管的暗电流，还可以进一步降低能够探测的光功率下限。所以这种带有隔离环结构的光晶体管在弱光探测方面有较大的优势和应用前景。
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