本發(fā)明涉及平面探測(cè)器的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件及其形成方法。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，光電探測(cè)技術(shù)在科研、軍事等方面都起著很重要的作用。而目前常見(jiàn)的電子敏/光敏探測(cè)器主要有光電二極管(photodiode)、光電三極管(bipolarphototransistor)以及場(chǎng)效應(yīng)(fet)探測(cè)管。其中光電二極管工作電壓低、量子效率高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光的探測(cè)，但是沒(méi)有內(nèi)部增益，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)弱光的探測(cè)；傳統(tǒng)的光電三極管由于寄生現(xiàn)象(發(fā)射結(jié)-基區(qū)和基區(qū)-集電結(jié)的寄生電容、基區(qū)的寄生串聯(lián)電阻)的明顯存在，導(dǎo)致其增益低、頻率響應(yīng)特性差、開(kāi)口率低；場(chǎng)效應(yīng)(fet)探測(cè)管存在頻率特性差、暗電流和噪聲大的缺點(diǎn)，限制了其在光電探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)問(wèn)題之一。

為此，本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提出一種帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件，可以提高探測(cè)器件的開(kāi)口率，同時(shí)提高器件的探測(cè)增益，并在一定程度上緩解寄生電容現(xiàn)象。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例公開(kāi)了一種帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件，包括：襯底；形成在所述襯底之上的氧化層；形成在所述氧化層之上的硅外延層，所述硅外延層在水平方向上依次設(shè)置有重?fù)诫s的施主發(fā)射區(qū)、第一輕摻雜的受主基區(qū)、第二輕摻雜基區(qū)、施主收集區(qū)和重?fù)诫s的施主歐姆接觸區(qū)，所述施主收集區(qū)用于當(dāng)作光子或電子的探測(cè)窗口；形成在所述第二輕摻雜基區(qū)之上的門(mén)柵結(jié)構(gòu)；形成在所述第一輕摻雜受主基區(qū)之上的第一側(cè)墻；形成在所述門(mén)柵結(jié)構(gòu)一側(cè)的第二側(cè)墻；其中，所述門(mén)柵結(jié)構(gòu)位于所述第一側(cè)墻和所述第二側(cè)墻之間；形成在所述門(mén)柵結(jié)構(gòu)之下的虛擬收集區(qū)，其中所述虛擬收集區(qū)通過(guò)在所述第一輕摻雜的受主基區(qū)和所述施主收集區(qū)之間設(shè)置第二輕摻雜基區(qū)，并在所述門(mén)柵結(jié)構(gòu)施加正向偏壓，同時(shí)在所述施主收集區(qū)和所述施主發(fā)射區(qū)之間施加正向偏壓形成。

進(jìn)一步地，所述柵結(jié)構(gòu)包括：形成在所述第二輕摻雜基區(qū)之上的柵氧層；形成在所述柵氧層之上的金屬柵或多晶硅柵。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件，通過(guò)門(mén)柵結(jié)構(gòu)處設(shè)置側(cè)墻保護(hù)了三極管的第一輕摻雜受主基區(qū)，通過(guò)在門(mén)柵電極施加合適的控制電壓，使柵氧層下的第二輕摻雜基區(qū)在門(mén)柵電壓的控制下轉(zhuǎn)變成一個(gè)“虛擬”的收集區(qū)，從而減小了基區(qū)的實(shí)際長(zhǎng)度，增大發(fā)射區(qū)的注入效率，進(jìn)而提高器件的探測(cè)增益；由于門(mén)柵電壓的存在，使得在柵氧層下形成電子積累反型層，空穴在發(fā)射區(qū)-基區(qū)結(jié)處聚集，提高了發(fā)射區(qū)-基區(qū)結(jié)處的電勢(shì)，減小了結(jié)處寄生電容。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件的形成方法，可以提高探測(cè)器件的開(kāi)口率，同時(shí)提高器件的探測(cè)增益，并在一定程度上緩解寄生電容現(xiàn)象。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例公開(kāi)了帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件的形成方法，包括以下步驟：提供襯底；在所述襯底之上形成氧化層；在所述氧化層之上形成硅外延層，所述硅外延層在水平方向上依次設(shè)置有重?fù)诫s的施主發(fā)射區(qū)、第一輕摻雜的受主基區(qū)、第二輕摻雜的基區(qū)、施主收集區(qū)和重?fù)诫s的施主歐姆接觸區(qū)，所述施主收集區(qū)用于當(dāng)作光子或電子的探測(cè)窗口；在所述第二輕摻雜基區(qū)之上形成門(mén)柵結(jié)構(gòu)；在所述第一輕摻雜受主基區(qū)之上形成第一側(cè)墻；在所述門(mén)柵結(jié)構(gòu)一側(cè)的形成第二側(cè)墻，其中，所述門(mén)柵結(jié)構(gòu)位于所述第一側(cè)墻和所述第二側(cè)墻之間；形成在所述門(mén)柵結(jié)構(gòu)之下的虛擬收集區(qū)，在所述門(mén)柵結(jié)構(gòu)施加正向偏壓，同時(shí)在所述施主收集區(qū)和所述施主發(fā)射區(qū)之間施加正向偏壓，以使所述第二輕摻雜基區(qū)變?yōu)樘摂M收集區(qū)。

進(jìn)一步地，還包括：當(dāng)器件復(fù)位階段時(shí)，在所述門(mén)柵結(jié)構(gòu)施加零或負(fù)向偏壓。

進(jìn)一步地，所述門(mén)柵結(jié)構(gòu)包括：形成在所述第二輕摻雜基區(qū)之上的柵氧層；形成在所述柵氧層之上的金屬柵或多晶硅柵。

本發(fā)明實(shí)施例的帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件的形成方法，通過(guò)門(mén)柵結(jié)構(gòu)處設(shè)置側(cè)墻保護(hù)了三極管的第一輕摻雜受主基區(qū)，通過(guò)在門(mén)柵電極施加合適的控制電壓，使柵氧層下的第二輕摻雜基區(qū)在門(mén)柵電壓的控制下形成一個(gè)“虛擬”的收集區(qū)，從而減小了基區(qū)的實(shí)際長(zhǎng)度，增大發(fā)射區(qū)的注入效率，進(jìn)而提高器件的探測(cè)增益；由于門(mén)柵電壓的存在，使得在柵氧層下形成電子積累反型層，空穴在發(fā)射區(qū)-基區(qū)結(jié)處聚集，提高了發(fā)射區(qū)-基區(qū)結(jié)處的電勢(shì)，減小了結(jié)處寄生電容。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件工作原理的能帶結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件操作方法的簡(jiǎn)單電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例的帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件在正常工作電壓下，進(jìn)行電子轟擊仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。

參照下面的描述和附圖，將清楚本發(fā)明的實(shí)施例的這些和其他方面。在這些描述和附圖中，具體公開(kāi)了本發(fā)明的實(shí)施例中的一些特定實(shí)施方式，來(lái)表示實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施例的原理的一些方式，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的實(shí)施例的范圍不受此限制。相反，本發(fā)明的實(shí)施例包括落入所附加權(quán)利要求書(shū)的精神和內(nèi)涵范圍內(nèi)的所有變化、修改和等同物。

以下結(jié)合附圖描述本發(fā)明。

圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件，包括：襯底101；形成在襯底101之上的氧化層102；形成在氧化層102之上的硅外延層103，硅外延層103在水平方向上依次設(shè)置有重?fù)诫s的施主發(fā)射區(qū)124、第一輕摻雜的受主基區(qū)123、第二輕摻雜基區(qū)121、施主收集區(qū)122和重?fù)诫s的施主歐姆接觸區(qū)125，施主收集區(qū)122用于當(dāng)作光子或電子的探測(cè)窗口；形成在第二輕摻雜基區(qū)121之上的門(mén)柵結(jié)構(gòu)；形成在第一輕摻雜受主基區(qū)之上的第一側(cè)墻113、形成在柵結(jié)構(gòu)一側(cè)的第二側(cè)墻114，其中，虛擬收集區(qū)121通過(guò)以下方式形成：在第一輕摻雜的受主基區(qū)123和施主收集區(qū)122之間設(shè)置第二輕摻雜基區(qū)(即虛擬收集區(qū)121對(duì)應(yīng)的位置)，并在門(mén)柵結(jié)構(gòu)施加正向偏壓，同時(shí)在施主收集區(qū)122和施主發(fā)射區(qū)124之間施加正向偏壓形成。

具體地，采用soi技術(shù)中的smart-cut技術(shù)，將表面氧化后已注入一定劑量h⁺的單晶硅片與另一非氧化硅片鍵合，之后低溫退火使注入的h⁺形成氣泡令硅片剝離，高溫退火以增強(qiáng)鍵合強(qiáng)度，再拋光單晶硅表面，單晶硅薄膜厚度tsi≈10～1000nm，形成soi片所示，在單晶硅薄膜103上進(jìn)行受主離子注入摻雜，濃度psub≈10¹⁵～10¹⁷cm^-3。

采用化學(xué)氣相沉積(cvd)外延生長(zhǎng)方法在soi單晶硅薄膜表面生長(zhǎng)柵氧層111，柵氧層111的厚度

采用自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)光刻、刻蝕形成金屬柵112，金屬柵112的長(zhǎng)度lgate≈0.1～2um。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還可以在柵氧層111之上不形成金屬柵而形成多晶硅柵。

采用自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)光刻定義出n^-的收集區(qū)122的長(zhǎng)度并進(jìn)行施主離子注入摻雜至濃度n^-≈10¹⁵～10¹⁸cm^-3。

采用自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)光刻定義出p^-的受主摻雜基區(qū)123的長(zhǎng)度并進(jìn)行受主離子注入摻雜至濃度p^-≈10¹⁶～10¹⁹cm^-3。

采用化學(xué)氣相沉積(cvd)外延生長(zhǎng)方法，沉積sio2介質(zhì)層，并刻蝕形成側(cè)墻113和114的保護(hù)結(jié)構(gòu)。

采用自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)光刻定義出n⁺⁺的施主發(fā)射區(qū)124和施主歐姆接觸區(qū)125，并進(jìn)行受主離子注入摻雜至濃度n⁺⁺≈10¹⁹～10²¹cm^-3，在施主發(fā)射區(qū)124沉積金屬形成發(fā)射區(qū)電極131、施主歐姆接觸區(qū)125沉積制作金屬形成接觸區(qū)電極132。

圖2中為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件工作原理的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。施主收集區(qū)122作為電子/光子的探測(cè)窗口層，提高了器件的開(kāi)口率和光的入射效率。為保證器件能夠正常工作，需要在施主收集區(qū)122-施主發(fā)射區(qū)124間加正向偏壓+vce(其中，e為發(fā)射極、c為集電極)。當(dāng)探測(cè)窗口有電子/光子入射時(shí)，會(huì)在施主收集區(qū)122電離/激發(fā)出大量的電子-空穴對(duì)。其中，電子在施主收集區(qū)122中橫向電場(chǎng)的作用下，向施主收集區(qū)電極方向漂移；相應(yīng)的，電離/激發(fā)的部分空穴被掃入第二輕摻雜基區(qū)121和第一輕摻雜受主基區(qū)123。同時(shí)，在器件金屬柵112施加正向偏壓+vge(其中，g為門(mén)柵電極)，第二輕摻雜基區(qū)121中的少數(shù)載流子會(huì)在柵氧層111下方積累形成反型層，使得第二輕摻雜基區(qū)121耗盡形成虛擬收集區(qū)，從而減小基區(qū)的有效長(zhǎng)度；另外，掃入第一輕摻雜受主基區(qū)123的空穴在施主發(fā)射區(qū)124-第一輕摻雜受主基區(qū)123結(jié)處聚集，提高了施主發(fā)射區(qū)124-第一輕摻雜受主基區(qū)123結(jié)處的電勢(shì)，減小了結(jié)處寄生電容，從而提高發(fā)射區(qū)的注入效率，具有較高的探測(cè)增益和較好的頻率特性。

具體的，對(duì)該器件操作方法分析敘述。圖3中為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件操作方法的簡(jiǎn)單電路結(jié)構(gòu)示意圖。復(fù)位階段：在金屬柵112施加電壓0v或-vge，施加適當(dāng)負(fù)偏壓時(shí)可以大大降低器件的關(guān)斷電流；檢測(cè)階段：在金屬柵112施加正向偏壓+vge，同時(shí)在施主收集區(qū)122-施主發(fā)射區(qū)124間加正向偏壓+vce，由上述對(duì)該器件工作原理的分析知，當(dāng)有光子/電子入射到收集窗口時(shí)，可以在集電極或發(fā)射極收集檢測(cè)到電流脈沖；讀取階段：將在集電極或發(fā)射極收集到的電流脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)后續(xù)的處理電路放大、存儲(chǔ)，以便進(jìn)行下一步的分析處理。

表1是對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型器件的性能仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比，從表1中可以看出，本發(fā)明實(shí)施例的帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件與現(xiàn)有的光電二極管和廣電三極管相比具有優(yōu)異的性能。

表1

圖4中為本發(fā)明實(shí)施例的帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件在正常工作電壓(vbe＝1.4vvce＝10v)下，進(jìn)行電子轟擊(e＝4kev)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果：當(dāng)無(wú)電子轟擊時(shí)，收集區(qū)電極得到的暗電流ic約為30fa；當(dāng)有電子轟擊時(shí)，收集區(qū)電極得到的電流明顯增大，探測(cè)增益很高。

本發(fā)明實(shí)施例的帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件，通過(guò)金屬柵處側(cè)墻保護(hù)了三極管的基區(qū)，通過(guò)在門(mén)柵電極施加合適的控制電壓，使柵氧層下的第二輕摻雜基區(qū)在門(mén)柵電壓的控制下形成一個(gè)“虛擬”的收集區(qū)，從而減小了基區(qū)的實(shí)際長(zhǎng)度，增大發(fā)射區(qū)的注入效率，進(jìn)而提高器件的探測(cè)增益；由于門(mén)柵電壓的存在，使得在柵氧層下形成電子積累反型層，空穴在發(fā)射區(qū)-基區(qū)結(jié)處聚集，提高了發(fā)射區(qū)-基區(qū)結(jié)處的電勢(shì)，減小了結(jié)處寄生電容。

此外，本發(fā)明的實(shí)施例還公開(kāi)了一種帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件的形成方法，包括以下步驟：

提供襯底；

在襯底之上形成氧化層；

在氧化層之上形成硅外延層，硅外延層在水平方向上依次設(shè)置有重?fù)诫s的施主發(fā)射區(qū)、第一輕摻雜的受主基區(qū)、第二輕摻雜的基區(qū)、施主收集區(qū)和重?fù)诫s的施主歐姆接觸區(qū)，施主收集區(qū)用于當(dāng)作光子或電子的探測(cè)窗口；

在第二輕摻雜基區(qū)之上形成門(mén)柵結(jié)構(gòu)；

在第一輕摻雜受主基區(qū)之上形成第一側(cè)墻；

在門(mén)柵結(jié)構(gòu)一側(cè)的形成第二側(cè)墻，其中，門(mén)柵結(jié)構(gòu)位于第一側(cè)墻和第二側(cè)墻之間；

在門(mén)柵結(jié)構(gòu)施加正向偏壓，同時(shí)在施主收集區(qū)和施主發(fā)射區(qū)之間施加正向偏壓，以使第二輕摻雜基區(qū)變?yōu)樘摂M收集區(qū)。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括：當(dāng)器件復(fù)位階段時(shí)，在門(mén)柵結(jié)構(gòu)施加零或負(fù)向偏壓。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述門(mén)柵結(jié)構(gòu)包括：形成在第二輕摻雜基區(qū)之上的柵氧層；形成在所述柵氧層之上的金屬柵或多晶硅柵。

需要說(shuō)明的是，本發(fā)明實(shí)施例的帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件的形成方法的具體實(shí)施方式與本發(fā)明實(shí)施例的帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件的具體實(shí)施方式類似，具體參見(jiàn)器件部分的描述、為了減少冗余，不作贅述。

另外，本發(fā)明實(shí)施例的帶有門(mén)柵控制的平面探測(cè)晶體管器件及其形成方法的其它構(gòu)成以及作用對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言都是已知的，為了減少冗余，不做贅述。

在本說(shuō)明書(shū)的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書(shū)中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同限定。