一种穿通效应增强型硅光电晶体管制造技术

本发明专利技术涉及一种穿通效应增强型硅光电晶体管。包括ＮＰＮ和ＰＮＰ两种类型，其由下至上包括硅衬底层，位于硅衬底层上的Ｐ阱（或Ｎ阱）层，位于Ｐ阱（或Ｎ阱）层内的两个分立的Ｎ型（或Ｐ型）重掺杂有源区，位于Ｐ阱（或Ｎ阱）层内、被两个Ｎ型（或Ｐ型）重掺杂有源区环绕的场区二氧化硅层，位于Ｐ阱（或Ｎ阱）层窄侧和场区二氧化硅层上表面的两个分立的条形栅氧二氧化硅层，覆盖在栅氧二氧化硅层上、与栅氧二氧化硅层形状相同的两个分立的多晶硅层，位于Ｐ阱（或Ｎ阱）层宽侧上表面且与两个分立的Ｎ型（或Ｐ型）重掺杂有源区的分别连接的条形金属电极层。该器件可以有效提高器件光电转换增益，限制器件的暗电流，降低器件噪声，得到高的信噪比。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体光电器件领域，具体涉及一种穿通效应增强型硅光电晶体管。
技术介绍
半导体光电探测器以其优良的性能、微小的尺寸和便宜的价格得到广泛的应 用，已经渗透入工农业生产、军事科技、日常民用、消费电子等社会各个方面。硅 光电探测器是半导体光电探测器中的一大类。目前，应用比较广泛的硅光电探测器主要包括PIN光电二极管、APD雪崩光电二极管以及普通光电晶体管等。这些光 电探测器存在尺寸较大、对制造材料性能要求较高、工作电压较高、制造工艺与 CMOS工艺不兼容，以及不易与外围电路集成等缺点。PIN光电二极管的主要噪声源是外接电阻的热噪声和光电流的散粒噪声，但由 于没有内部增益，它的信噪比(SNR)不高，尤其是外接电阻较小的情况下。APD 雪崩光电二极管虽然有内部增益，但同时引入了附加噪声，限制了APD的探测灵 敏度，而且APD还需要很高的工作电压。普通的光电晶体管有两种， 一种是基极 悬浮的两端光电晶体管，另一种是三端的光电晶体管。两端光电晶体管由于在基极 -发射极PN结处的空间电荷区内存在复合，当入射光功率很低时，增益很低；此外， 低的入射光功率还导致发射结电容的充电时间很长，因此增益带宽积和SNR都变 得很小，这样限制了这种光电晶体管在高速方面的应用。三端光电晶体管虽然在提高增益和响应速度方面取得了一些成功，但是由于基 极偏置电流引入的散粒噪声同时也被晶体管放大，因此，当基极电流远大于光生电 流时，SNR会变得很低，这严重限制了三端光电晶体管在弱光条件下的探测灵敏 度。为了同时提高光电晶体管的响应速度和SNR， 1993年，Y. Wang和E. S. Yang等人提出了一种穿通基区光电晶体管，不仅可以得到高增益、快速响应，而且可以 得到低噪声。穿通基区光电晶体管同时具有了PIN光电二极管低噪声的特点和APD 光电二极管高增益的特点。由于没有基区偏置电流，所以它的噪声特性要好于普通 的光电晶体管。因此，穿通基区光电晶体管在弱光探测上具有很大优势。但是该穿 通基区光电晶体管是由AIGaAs/GaAs/GaAs结构组成的，它和其它化合物半导体 器件一样有个重要缺点——很难与硅集成电路相集成，尤其是广泛应用的CMOS 集成电路工艺，生产成本高。2001年，Hailin Luo等人实现硅基穿通基区光电晶体管。当入射光功率为 1.9nW时，光电转换增益为15384，器件响应时间为1.6ns， -3dB带宽为300MHz， SNR大约为40dB。器件为一横向晶体管结构，工作时基区完全耗尽，产生穿通效 应，从而得到高的光电转换增益。硅穿通基区光电晶体管不仅具有高增益和快响应 速率等性能，而且还克服了化合物穿通基区光电晶体管难于集成的缺点。但是无论 是化合物衬底的还是硅衬底的穿通基区光电晶体管，它们的暗电流都比较大，而且 与标准商业CMOS工艺不能完全兼容。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高光电转换增益、低暗电流并且完全和标准商业 CMOS工艺兼容的穿通效应增强型硅光电晶体管。本专利技术所述的穿通效应增强型硅光电晶体管结构如图1所示，依晶体管类型分 为NPN和PNP两种类型。NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管，其特征在于由下至上依次包括硅衬 底层，位于硅衬底层上的P阱层，位于P阱层内的两个分立的N型重掺杂有源区， 位于P阱层内、被两个N型重掺杂有源区环绕的场区二氧化硅层，位于P阱层窄 侧和场区二氧化硅层上表面的两个分立的条形栅氧二氧化硅层，覆盖在栅氧二氧化 硅层上、与栅氧二氧化硅层形状相同的两个分立的多晶硅层，位于P阱层宽侧上表 面且与两个分立的N型重惨杂有源区分别相连的条形金属电极层。进一步地，上述的NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管，两个分立的N型重 掺杂有源区是被栅氧二氧化硅层和多晶硅层分成的两个对称的U形区域。上述的NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管，P阱层、两个分立的N型重掺 杂有源区和场区二氧化硅层的上表面位于同一平面。上述的NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管，两个分立的N型重掺杂有源区 的深度小于场区二氧化硅层的深度，场区二氧化硅层的深度小于P阱层的深度。在上述的NPN型器件中，硅衬底层作为形成P阱层的基础，P阱层作为器件 的基区；P阱层内部的N型重掺杂有源区(离子注入区)被场区二氧化硅层及多晶 硅层分为两个分立的有源区，分别构成光电晶体管的集电区和发射区，与之相连接 的条形金属电极层，分别构成集电区电极和发射区电极。这种类型的穿通效应增强型硅光电晶体管可看成由两种不同结构尺寸的光电 晶体管相连而成，它们的基区长度不同在器件中间区域，位于发射区和集电区之 间的、场区二氧化硅下方的P阱区域构成基区长度较长的长基区光电晶体管的基区；在器件两端区域，位于发射区和集电区之间、多晶硅层和栅氧二氧化硅层下方的P阱区域构成基区长度较短的短基区光电晶体管的基区。NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管，其典型参数为P阱层的长和宽分别为12 15^im和5 7^im，深度为3~5|am。场区二氧化硅层位于阱区的中央，上表面与 阱区相平，长和宽分别为8~12^m和2~4pm，厚0.4~0.8^m。两部分栅氧二氧化 硅层分别位于阱区窄侧，与阱区窄边对齐，并延伸至场区二氧化硅层，长和宽分别 为3~5pm和1~2Hm，厚度为10~20nm。两部分多晶硅层位于栅氧二氧化硅层之 上，与栅氧二氧化硅层的长和宽相同，厚度为200~300nm。 N型重掺杂有缘区为 沿器件长轴对称的两个分立的U字半环形区域，深度为0.15~0.25^m，内长边长 8~10nm，内短边长1 2pm，外长边长10~12^m，外短边长3 5^m。PNP型穿通效应增强型硅光电晶体管，其特征在于由下至上依次包括硅衬底层，位于硅衬底层上的N阱层，位于N阱层内的两个分立的P型重掺杂有源区， 位于N阱层内、被两个P型重掺杂有源区环绕的场区二氧化硅层，位于N阱层窄 侧和场区二氧化硅层上表面的两个分立的条形栅氧二氧化硅层，覆盖在栅氧二氧化 硅层上、与栅氧二氧化硅层形状相同的两个分立的多晶硅层，位于N阱层宽侧上表 面且与两个分立的P型重掺杂有源区分别相连的条形金属电极层。进一步地，上述的PNP型穿通效应增强型硅光电晶体管，两个分立的P型重 掺杂有源区是被栅氧二氧化硅层和多晶硅层分成的两个对称的U形区域。上述的PNP型穿通效应增强型硅光电晶体管，N阱层、两个分立的P型重掺 杂有源区和场区二氧化硅层的上表面位于同一平面。上述的PNP型穿通效应增强型硅光电晶体管，两个分立的P型重掺杂有源区 的深度小于场区二氧化硅层的深度，场区二氧化硅层的深度小于N阱层的深度。在上述的PNP型器件中，硅衬底层作为形成N阱的基础，N阱层作为器件的 基区；N阱内部的P型重掺杂有源区(离子注入区)被场区二氧化硅层及多晶硅层 分为两个分立的有源区，分别构成光电晶体管的集电区和发射区，与之相连接的条 形金属电极层，分别构成集电区电极和发射区电极。这种类型的穿通效应增强型硅光电晶体管可看成由两种不同结构尺寸的光电 晶体管相连而成，它们的基区长度不同在器件中间区域，位于发射区和集电区之 间的、场区二氧化硅下方的N阱区域构成基区长度较长的长基区光电晶体管的基 区；在器件两端区域，位于多晶硅层和栅氧二氧化硅层下本文档来自技高网...

【技术保护点】
ＮＰＮ型穿通效应增强型硅光电晶体管，其特征在于：由下至上依次包括硅衬底层（１），位于硅衬底层（１）内的Ｐ阱层（２），位于Ｐ阱层（２）内的两个分立的Ｎ型重掺杂有源区（３，３’），位于Ｐ阱层内、被两个Ｎ型重掺杂有源区（３，３’）环绕的场区二氧化硅层（６），位于Ｐ阱层（２）窄侧和场区二氧化硅层（６）上表面的两个分立的条形栅氧二氧化硅层（４，４’），覆盖在栅氧二氧化硅层（４，４’）上、与栅氧二氧化硅层形状相同的两个分立的多晶硅层（５，５’），位于Ｐ阱层（２）宽侧上表面且与两个分立的Ｎ型重掺杂有源区（３，３’）分别相连的条形金属电极层（７，７’）。

【技术特征摘要】
1、NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管，其特征在于由下至上依次包括硅衬底层(1)，位于硅衬底层(1)内的P阱层(2)，位于P阱层(2)内的两个分立的N型重掺杂有源区(3，3’)，位于P阱层内、被两个N型重掺杂有源区(3，3’)环绕的场区二氧化硅层(6)，位于P阱层(2)窄侧和场区二氧化硅层(6)上表面的两个分立的条形栅氧二氧化硅层(4，4’)，覆盖在栅氧二氧化硅层(4，4’)上、与栅氧二氧化硅层形状相同的两个分立的多晶硅层(5，5’)，位于P阱层(2)宽侧上表面且与两个分立的N型重掺杂有源区(3，3’)分别相连的条形金属电极层(7，7’)。2、 如权利要求1所述的NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管，其特征在于 两个分立的N型重掺杂有源区(3， 3')是被栅氧二氧化硅层(4， 4，)和 多晶硅层(5， 5')分成的两个对称的U形区域。3、 如权利要求2所述的NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管，其特征在于 P阱层(2)、两个分立的N型重掺杂有源区(3， 3，)和场区二氧化硅层(6)的上表面位于同一平面。4、 如权利要求2或3所述的NPN型穿通效应增强型硅光电晶体管，其特征 在于两个分立的N型重掺杂有源区(3， 3，)的深度小于场区二氧化硅 层(6)的深度，场区二氧化硅层(6)的深度小于P阱层(2)的深度。5、 PNP型...

【专利技术属性】
技术研发人员：常玉春，刘欣，王玉琦，杜国同，郭树旭，王富昕，史中翩，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]