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1、半导体光电探测器及进展李晓军 尹长松(武汉大学物理系 430072)摘 要半导体光电探测是半导体光电子学的重要部分 , 半导体光电探测器在光纤通信 , 红外遥感等领域有广泛的应用。本文介绍了几种最新的半导体光电探测器结构 , 旨在探讨国内外当前半导体光电探测器的研究现状及发展趋势。关键词: 半导体光电探测器 ; APD;PIN; 红外探测器 ; SL; MQW; 多孔硅Semiconductor Photodetector and DevelopmentAbstractSemiconductorphotodetection isthekeypartofsemiconductoroptoelec
2、tronics.Semiconductor photodetectors have been widely used in the optical fiber communication systemsand infrared detection. In order to find out the research trend, we will introduce some newstructures of semiconductor photodetectors.Key words:Semiconductor photodetector, APD, PIN, Infrared detecto
3、r, SL, MQW, PS一、 引 言随着光纤通信技术与军事应用技术的进步 ,半导体光电探测器进入了广阔的应用领域。 同时 , 多孔硅 , 超晶格量子阱 , 表面安装技术等新材料、 新结构、 新工艺的发展 , 促使半导体光电探测器的研究逐步深化。 因此 ,我们现在有必要对半导体光电探测器做系统地回顾与展望。二、 光电导探测器1.HgCdTe光电导探测器 1HgCdTe光电导探测器是本征激发的单晶探测器。它是 Hg Te和 CdTe两材料的固溶 体。 随材料中 Cd的组分不同 , 禁带宽度可从 0eV 1. 6eV, 于是 , 可制成响应不同波长的探34第 22 卷 2 期 半 导 体 杂 志
4、 1997 年 6 月测器。 常用的有 8 12 m, 3 5 m及 1 3 m的器件。Hg CdTe不仅可做成普通单元探测器、 多元探测器 , 还可做成夹层式器件以及扫积型探测器。三、 光伏探测器1.GaN P-N结 PD2GaN本征探测器 , 室温带隙为 3. 43eV, 可替代光电阴极应用于可见光 不可见光紫外 探测。GaN P-N结构为在蓝宝石衬底上淀积 1 m厚的非故意 n型掺杂 GaN层和 0. 5 m厚的 Mg掺杂 p型 GaN层。n型和 p型 GaN层典型电阻率分别为 0. 3 和 5 cm。GaN P-N结PD特性为在 360nm波长下测得 16mm2台面型探测器的零偏压响应
5、度达 0. 09A/W。在零偏压下测得 GaN探测器的上升时间和下降时间为 0. 4ms, - 10V 偏压下为 0. 3ms。波长在 370nm时有一突变的长波限。2. 雪崩光电二极管 ( APD)3图 1 掺杂InGaAs SAGM-APD器件结构图 2 InGaAsP/InAlAs SL-APD器件结构( 1) 掺杂 InGaAs SAGM-APD 掺杂 InGaAs SAGM-APD结构如图 1 所示。采用这种结构使倍增层内所有必须获得碰撞电离的掺杂电荷都集中在 30 50 的区域内 ,而不需整个倍增区均匀掺杂。 消除了载流子浓度与倍增区厚度之间的相互影响。 小倍增区提高了响应带宽。分
6、析表明 , 随倍增宽度降至 0. 2 m,可获得 140GHz的增益带宽积 ,实际已达 86GHz,通过引进表面反射器仅以 1. 1 m 厚吸收层获得了 67 %的高量子效率。在 APD倍增区引进超晶格 ( SL) 有利于提高 GB乘积 , 因此 , 我们集中讨论一下超晶格雪崩光电二极管。( 2) 超晶格 APD4增益带宽积是离化率比和倍增区载流子渡越时间的函数 , 倍增区渡越时间由倍增区厚度和载流子的速度决定。SL引入倍增区 ,提高了电子与空穴的离化率比 ,增加了 GB乘积并降低了倍增噪声。 目前 , 超晶格 APD的 GBP普遍超过 100GHZ, 最大已达 130GHz 。 并且在35第
7、 22 卷 2 期 半 导 体 杂 志 1997 年 6 月10Gb/s光传输系统中获得了 - 24dBm - 27dBm的最小接收灵敏度。 说明超晶格是实现 高速 , 高灵敏度 APD的有效途径 , 也表明 SL-APD在长距离 , 大容量光纤通信系统中的有效性。A、InGaAsP /InAl As SL-APD5InGaAsP/InAlAs SL-APD结 构如图 2所示。晶体层 包括薄 至 0. 299 m13周 期的InGaAsP ( 11. 5nm厚 )/InAlAs ( 11. 5nm厚 ) 超晶格 ; 光吸收层为 InGaAs层;InP电场分离层夹在倍增层与吸收层之间; P+-I
8、nP窗口层和 P+-InGaAs接触层生长于吸收层之上;在 P+-InP窗口层与 P+电极间插入 SiN层防止合金化。 台面直径为 30 m的器件性能如下: ID= 0. 7 A ( M = 10) , 电容为 0. 1pF, 3dB带宽达17GHz, GBP = 110GHz 。B 、 InAlGaAs/InGaAs SL-APD 6InAlGaAs/InGaAs SL-APD结构如图 3 所示。 衬底为 ( 100) 晶向的 n+-InP, 超晶格倍增层只有 0. 231 m厚 ,共 11 个周期 , InAlAs垒层厚 12nm, InAlGaAs阱层厚 9nm, p-InGaAs光吸收
9、层厚 0. 9 m, p+-InP电场分离层厚 52nm。器件特性为: 台面直径 40 m, 最大带宽 15GHz, GBP = 120GHz, ID= 0. 34 A ( M = 20) , 电容 0. 17pF, 量子效率 65 % 。图 3 InAlGaAs/InGaAs SL-APD器件结构图 4 InGa As/InAlAs SAM-SL-APD器件结构C 、 InGaAs/InAlAs SL-APD7窄阱层 InGaAs /InAlAs SL-APD结构如图 4 所示。 减薄阱层不仅可减小暗电流 ,而且可增大倍增 , 另外 , 窄阱层的二维量子限制效应可增大带隙 , 使 1. 55
10、 m光能顺利通过 , 避免 了倍增层的光吸收。 图 4 所示结构中 , 超晶格倍增层有 10 个周期 , 阱厚 ( Lw) 为 5nm, 垒厚( Lb) 为 15nm, 总厚度( Lm) 为 195nm。 该器件 GBP达 130GHz, 最大截止频率 12GHz, 最大倍增 30, ID= 2 A ( M = 10)。D 、InAlGaAs台阶型 SL-APD836第 22 卷 2 期 半 导 体 杂 志 1997 年 6 月1 SiNx;2 p+-InGaAs contactlayer; 3 p+-InP cap layer; 4 P-InGa As pho toabsorption la
11、yer; 5 p+-InP field buffer layer; 6 n-InAlGa Assawtoothmultiplaication layer; 7 n+-InAlAs;8 n-InAlGa As buff; 9 n-InP buff;10 n+-InP sub 图 5 InAlGaAs台阶型SL-APD器件结构InAlGaAs台阶型 SL-APD结构如图 5所示。 锯齿状超晶格倍增层有 10 个周期 , 每周期从 In0. 52 Ga0. 48As线性渐变到可透过 1. 3 m 和 1. 55 m波 的 In0. 53Al0. 19Ga0. 28As ( Eg= 1. 0eV) ,
12、 厚 20nm。 器件特性: 倍增因子最大超过 100, 击穿电压 35V, ID= 230nA ( M = 10) , ID= 550nA ( M = 20) , 量子效率 51 %( = 1. 54 m) , GBP 超过 100GHz, 最大截止频率约 8GHz, 电容约 0. 8pF 。 3.PIN光电二极管InGaAs /InP PIN PD 响 应 波 长 为 1. 00 1. 65 m范围 , 正好覆盖石英光纤的 1. 3 m低色散 和 1. 55 m低损耗两个窗口 , 并且它具有低的暗电 流 , 高的量子效率 , 宽的响应频带 , 所以 , 高速低 噪声 InGaAs /InP
13、 PIN PD得到了广泛的应用。 ( 1) 高速背照式平面 InGaAs /InP PIN PD高速背照式平面 InGaAs /InP PIN PD结构如图 6 InGaAs /InP PIN PD器件结构图 6所示。由 1 m 厚 n-InP顶层 ,1. 4 m 厚 n- Ga0. 47In0. 53As吸收层和 1 m厚 n+-InP接触层构 成 , 由 Ar+束腐蚀制作微型透镜 , 等离子体淀积 SiN作为增透膜。 该器件电容率低 , 光纤容许耦合误差大 , 截止 频率为 31GHz, ID= 3pA, 在 1. 55 m时量子效率 达 74 % 。 ( 2) 缓变双异质结 GaInAs
14、/InP PIN PDGaInAs /InP异质结构由气体源分子束外延 ( GSMBE) 在 Si-InP衬底上生长。PIN外延结构由图 7 GaInAs /InP PIN PD器件结构GaInAs腐蚀终止层及随后 n-InP, 缓变带隙层 ( GBL) , 190nm厚无意掺杂 GaInAs有源层 , 另 一 GBL, p-InP层 , p+-GaInAs接触层。GBL由 4 周期超晶格组成。 器件剖面结构如图 7 所示。 双异质结构减少了扩散电流 , 缓变带隙超 晶格减少了 GaInAs/InP PIN PD的载流子俘 获效应 , 复合波导设计减少了分布电容 , 使 PD 的高性能达到最佳
15、化。37第 22 卷 2 期 半 导 体 杂 志 1997 年 6 月图 8 GexSi1- x/Si多量子阱波导探测器( 3) GexSi1- x/Si超晶格 PIN波导探测器9 12硅衬底上生长的 GexSi1- x合金具有较窄的能 隙 , 对 1. 3 m波长的光波有一定响应 ,可用于光纤 通信系统的硅基光探测器。为提高探测外量子效 率 ,采用波导结构 ,将光波限制在 GexSi1- x/Si多量 子阱 ( MQW) 波导层内传输。 GexSi1- x/Si多量子阱波导探测器结构如图 8 所示。 器件的输入端是宽度为 8 m的劈型波导 , 最 后宽度为 3 m, 输入波导与环形波导相切连接。 波 导的横向限制依靠 GexSi1- x/Si 与空气的折射率 差。 这种新型的环形波导探测器结构有效地利用 半导体材料的高折射率特性 , 采用多次吸收的方 法弥补了 GexSi1- x/Si MQW材料对 1. 3 m光的弱 吸收。 器件可以同时具有高外量子效率和高响应速度。 器件与 10 m单模光纤直接对接耦合 时外量子效率可达 28 % , 而上升与下降时间仅为 110ps。 4.MSM光电探测器( 1) InGaAs M SM-PD13金属- 半导体 - 金属光电探测器 ( MSM-PD) 具有响应速度快 , 电容小 , 工艺
