光电探测器综述PD

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1、光电探测器综述(PD)光电探测器综述摘要：近年来，围绕着光电系统开展了各种关键技术研究，以实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的光电探测器(Photodetector)及光电 集成电路(OEIC)已成为新的重大挑战。尤其是具有高响应速度，高 量子效率和低暗电流的高性能光电探测器，不仅是光通信技术发展的 需要，也是实现硅基光电集成的需要，具有很高的研究价值。本文综 述了近十年来光电探测器在不同特性方向的研究进展及未来几年的发 展方向，对其的结构、相关工艺和制造的研究具有很重要的现实意义。关键词：光电探测器， Si ,CMOSAbstract: In recent years, around

2、the photoelectric system to carry out the study of all kinds of key technologies, in order to realize high integration, high performance, low power consumption and low cost of photoelectric detector (Photodetector) and optoelectronic integrated circuit (OEIC) has become a major new challenge. Especi

3、ally high response speed ， high quantum efficiency, and low dark current high-performance photodetector, is not only the needs for development of optical communication technology, but also realize the needs for silicon-based optoelectronic integrated,has the very high research value. This paper revi

4、ews the development of differentThis paper reviewscharacteristics and results of photodetector for the past decade, and discusses the ,next few yearsphotodetector development direction in the,the study of high performance photoelectricdetector, the structure, and related technology, manufacturing, h

5、as very important practical significance.Key Word:photodetector, Si ,CMOS一、光电探测器1.1 概念 光电探测器在光通信系统中实现将光转变成电的作用，这主要是基于半导体 材料的光生伏特效应，所谓的光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体 与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。（光电导效应是指在光线作用 下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化 的象。即当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光 辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的 电导率变

6、大是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象，光子作用 于光电导材料，形成本征吸收或杂质吸收，产生附加的光生载流子，从而使半 导体的电导率发生变化，产生光电导效应。）1.2 分类根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同，光电探测器可 分为两大类1：一类是光子探测器；另一类是热探测器。根据形态也可分为两大 类：一是真空光电器件；另一类是固体光电器件。固体光电器件又包括光敏电 阻、光电池、光电二极管、光电三极管等。1.3 工作原理光电探测器的基本工作机理包括三个过程：（1）光生载流子在光照下产生； （2）载流子扩散或漂移形成电流；（3）光电流在放大电路中放大并转换为电压 信号。当

7、探测器表面有光照射时，如果材料禁带宽度小于入射光光子的能量即 Egvhv,则价带电子可以跃迁到导带形成光电流。当光在半导体中传输时，光波的能量随着传播会逐渐衰减，其原因是光子 在半导体中产生了吸收。半导体对光子的吸收最主要的吸收为本征吸收，本征 吸收分为直接跃迁和间接跃迁。通过测试半导体的本征吸收光谱除了可以得到 半导体的禁带宽度等信息外，还可以用来分辨直接带隙半导体和间接带隙半导 体。本征吸收导致材料的吸收系数通常比较高，由于半导体的能带结构所以半 导体具有连续的吸收谱。从吸收谱可以看出，当本征吸收开始时，半导体的吸 收谱有一明显的吸收边。但是对于硅材料，由于其是间接带隙材料，与三五族 材料

8、相比跃迁几率较低，因而只有非常小的吸收系数，同时导致在相同能量的 光子照射下在硅材料中的光的吸收深度更大。直接带隙材料的吸收边比间接带 隙材料陡峭很多，图 1-1 画出了几种常用半导体材料（如 GaAs、InP、InAs、 Si、Ge、GaP 等材料）的入射光波长和光吸收系数、渗透深度的关系 2 。1.4 光电探测器的性能指标光电探测器的性能指标主要由量子效率、响应度、响应速度和本征带宽、光 电流，暗电流和噪声等指标组成：1. 量子效率：生成的电子光空穴对个数X 100% 入射光子数(Dwa表示吸收层的厚度，a s表示光吸收系数，入射波长入、材料消光系数k 决定吸收系数as=4nk/入。考虑实

9、际情况，入射光在探测器表面会被反射。 同时探测器表面存在一定宽度的接触掺杂区域，其中也会产生光子的消耗，考 虑以上两种因素的量子效率的表达式：耳=(1 - R )-e-a d - (1 e-a w )f S其中 d 表示接触层厚度， Rf 表示光电探测器表面的反射率。反射率与界面 的折射率nsc和吸收层的消光系数k有关，Rf可以表示成下式：_ (1 n )2 +K2R 二scf (1 + n )2 +K2s/Q2. 响应度：定义为光电探测器产生光电流与入射光功率比，单位通常为A/W。响应度与量子效率的大小有关，为量子效率的外在体现。 响应度 R ：IR = pPrVR = p 下 rp 表示光

10、电探测器产生的光电流， Pr 代表入射光功率。则量子效率可变为下式表示：I / qn = PP / hvrQ进而可得响应度的公式为：R =n q丽Q可知响应度与量子效率成正比，由于硅材料本身为间接带隙，所以材料的量子效率较低，硅基光电探测器的响应度也较小。3、响应速度与本征带宽响应速度可以用光生载流子的渡越时间表示，载流子的渡越时间外在的频率 响应的表现就是探测器的带宽。光生载流子的渡越时间在光生电流变化中表现 为两部分：上升时间和下降时间。通常取上升时间和下降时间中的较大者衡量 探测器的响应速度。决定探测器响应速度的因素主要有：、耗尽区载流子渡越时间：载流子的渡越时间是影响探测器响应速度的最

11、重V要因素，当耗尽区电场强度达到最大时，d 表示载流子的最大漂移速度， WWt =旷C表示耗尽区宽度，那么载流子的渡越时间为：dQ8耗尽区外载流子扩散时间：载流子扩散的速度较慢，同时大多数产生于耗尽 区之外的载流子的寿命非常短，复合发生速度快。所以扩散运动只对距离耗尽 区范围较近的载流子才能通过扩散运动达到耗尽区中，并在电场中漂移产生光 电流。 Dc 表示载流子的扩散系数， d 表示扩散距离，则扩散时间如下式：d2dff 2 Dc光电二极管耗尽区电容：越大，响应速度就越慢。为了达到最优的探测器的响应速度，需要在探测器的吸收层厚度和光电探测 器的面积中折衷。如增大探测器材料的吸收层厚度可以有效减

12、小耗尽区平板电 容，同时可增大吸收层厚度可以提高探测器的量子效率。但是吸收层厚度的增 加导致耗尽区宽度的变大，是光生载流子渡越时间变长而有可能降低探测器的 响应速度。暗电流和噪声10-11A / mm 2光电流指在入射光照射下光电探测器所产生的光生电流，暗电流可以定义为 没有光入射的情况下探测器存在的漏电流。其大小影响着光接收机的灵敏度大 小，是探测器的主要指标之一。暗电流主要包括以下几种：耗尽区中边界的 少子扩散电流；载流子的产生一复合电流，通过在加工中消除硅材料的晶格 缺陷，可以有效减小载流子的产生复合电流，通常对于高纯度的单晶硅产生 复合电流可以降低到2 x 10_11 A/mm2以下；

13、表面泄漏电流，在制造工艺结束时，对芯片表面进行钝化处理，可以将表面漏电流降低到 级。当然，暗电流也受探测器工作温度和偏置电压的影响。探测器的暗电流与 噪声是分不开的，通常光电探测器的噪声主要分为暗电流噪声、散粒噪声和热 噪声： a 暗电流噪声：对于一个光电探测器来讲，可接收的最小光功率是由探测 器的暗电流决定的，所以减小探测器的暗电流能提高光接收机的灵敏度； b 散粒 噪声：当探测器接收入射光时，散粒噪声就产生于光子的产生-复合过程中。由 于光生载流子的数量变化规律服从泊松统计分部，所以光生载流子的产生过程 存在散粒噪声； c 热噪声：由于导体中电子的随机运动会产生导体两端电压的波 动，因此就

14、会产生热噪声。光电探测器的电路模型中包含的电阻为其热噪声的 主要来源。4、噪声等效功率NEP：单位信噪比时的入射光功率。NEP =PV7Vsn5、探测度 D：D 二 1NEPQ116、线性度:A5=maxI I21Q121.5 光电探测器的选择与主要应用1.5.1光电探测器的应用选择光电探测器件的应用选择，实际上是应用时的一些事项或要点。在很多要 求不太严格的应用中，可采用任何一种光电探测器件。不过在某些情况下，选 用某种器件会更合适些。例如，当需要比较大的光敏面积时，可选用真空光电 管，因其光谱响应范围比较宽3，故真空光电管普遍应用于分光光度计中。当被 测辐射信号微弱、要求响应速度较高时，采

15、用光电倍增管最合适，因为其放大 倍数可达 100以上，这样高的增益可使其信号超过输出和放大线路内的噪声分 量4，使得对探测器的限制只剩下光阴极电流中的统计变化。因此，在天文学、 光谱学、激光测距和闪烁计数等方面，光电倍增管得到广泛应用。目前，固体光电探测器用途非常广。CdS光敏电阻因其成本低而在光亮面 积的器件，它除用做探测器件外，还可作太阳能变换器；硅光电二极管体积小、 响应快、可靠性高，而且在可见光与近红外波段内有较高的量子效率，困而在 各种工业控制中获得应用。硅雪崩管由于增益高、响应快、噪声小，因而在激 光测距与光纤通信中普遍釆用4。、光电探测器必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上相匹配。如果 测量波长是紫外波段，则选用光电倍增管或专门的紫外光电半导体器件；如果 信号是可见光，则可选用光电倍增管、光敏电阻和Si光电器件；如果是红外信 号，则选用光敏电阻，近红外选用Si光电器件或光电倍增管。、光电探测器的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。其中首先要 注意器件的感光面要和照射光匹配好，因光源必须照到器件的有效位置，如光 照位置发生变化，则光电灵敏度将发生变化。如光敏电阻是一个可变电阻，有 光照的部分电阻就降低，必须使光线照在两电极间的全部电阻体上，以便有效 地利用全部感光面。光电二极管、光电三极管的感