基于SOI薄膜的双极场效应光敏器件研究

Photosensitive devices play an important role in photo-electronic fields, such as modern optical detection, optical communication, optical information processing, optical interconnection and optical control for industrial, military and civil applications. To get over the disadvantages of bipolar and field-effect transistors and overcome the large leakage current of the bulk silicon devices, a novel SOI photonic device with new structure and high performance is proposed, which will make a comprehensive between bipolar and MOSFET. The physics mechanization, characteristics, and fabrication process of the device will be studied, followed with the detailed analysis of the principle and the dependence of its characteristics on the structure, materials, and process, on the basis of the physical equations and the movement of internal carriers in the device. The device theory system will be established, the design and technology and experiment of the device will be studied. It could be expected that the photosensitive device with high performance, such as large photo-current, large gain, large input resistance, high sensitivity, small leakage current and small parasitic capacitance, will be realized. Thanks to the simple structure, it could be fabricated by the conventional processes without any complicated concerns. The bottlenecks of the development for photo sense device can be expected to be settled， thus, the study is of great research significance and application prospects.

光敏器件在工业技术、国防军事和民用的现代光探测、光通讯、光信息处理、光互联和光控制等领域起着关键的核心作用。针对现有光敏器件为单独双极型器件或单独场效应型器件的局限和体硅器件漏电流较大的问题，提出一种基于SOI 薄膜、综合双极型器件和场效应器件优点的高性能光敏器件，对器件的机理、特性与工艺进行综合研究，从基本物理方程和器件内部载流子运动出发，详细分析器件工作原理、各种器件特性及其参数与结构、材料、工艺之间的关系，建立器件理论体系，并进行器件设计、工艺与实验研究。预计可得到同时具有光电流大、增益大，输入阻抗大、灵敏度高，漏电流小、寄生电容小，且结构简单、易于制造的高性能光敏器件，解决制约光敏器件发展的瓶颈问题，拓宽光敏器件应用领域，具有重要的研究意义和很好的应用前景。

该项目在短短的一年时间内，研究一种综合双极型器件、场效应器件和薄膜器件优点的新型SOI薄膜双极场效应光敏器件，对该器件的结构、原理、特性及特性参数、材料与工艺进行了研究，取得主要研究成果如下：.1、提出了一种薄膜栅控绝缘衬底体上硅（SOI）横向光电二极管（LPIN），基于半导体器件的基本物理方程，分析该器件的工作原理，并获得器件的电流–电压方程。在全耗尽情况下，应用二维Atlas数值测量及电学仿真，分析载流子分布和电流–电压特性，对膜厚为800 nm、沟道长度为8μm的器件，在400 nm波长时量子效率为97%，暗电流约10pA，光电流与暗电流之比达到七个数量级。.2、建立薄膜栅控绝缘衬底体上硅（SOI）横向光电二极管（LPIN）探测器耗尽模式的解析模型，并采用二维Atlas模拟仿真对该模型进行了验证。在外加栅压使器件进入全耗尽条件下，分析沟道长度变化对暗电流、光电流、敏感度、速度与频率的影响，采用0.18μm SOI CMOS技术实现的该器件，其光电流与暗电流之比达到七个数量级。.3、采用射频磁控溅射的方法制备异质结光电二极管，分析该光电二极管的原理和不同光照功率下的电流-电压特性与电容-电压特性，并将该器件应用于有源像素传感器（APS）。该异质结光电二极管具有非线性电流-电压特性与电容-电压特性，相比普通硅基p-n型光电二极管具有更高的量子效率和更宽的动态范围。.4、设计了一种新型的用于减弱单粒子多位翻转的典型6T-SRAM版图结构，并采用三维TCAD数值仿真技术，对该版图结构进行了评估。相比于其它结构，该版图结构能够使用最小的面积与功率代价，有效减弱了6T-SRAM的单粒子多位翻转。.在项目执行期内，公开发表国外SCI学术论文4篇，被EI刊物接收论文1篇在2015年初即将发表，还有2篇研究论文已投国外SCI刊物正在评审中。2名博士生在课题中得到锻炼，1人即将完成博士学位论文答辩，达到了预期研究目标。