光電探測器綜述PD

1、光電探測器綜述摘要：近年來,圍繞看光電系統(tǒng)開展了各種關(guān)鍵技術(shù)研究,以實(shí)現(xiàn)具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的光電探測器(Photodetector)及光電集成電路(OEIC)已成為新的重大挑戰(zhàn)。尤其是具有高響應(yīng)速度,高量子效率和低暗電流的高性能光電探測器，不僅是光通信技術(shù)發(fā)展的需要，也是實(shí)現(xiàn)硅基光電集成的需要,具有很高的研究價(jià)值。本文綜述了近十年來光電探測器在不同特性方向的研究進(jìn)展及未來幾年的發(fā)展方向，對其的結(jié)構(gòu)、相關(guān)工藝和制造的研究具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)鍵詞：光電探測器,Si,CMOSAbstract:Inrecentyears,aroundthephotoelectricsystemt

2、ocarryoutthestudyofallkindsofkeytechnologiesinordertorealizehighintegration,highperformanee,lowpowerconsumptionandlowcostofphotoelectricdetector(Photodetector)andoptoelectronicintegratedcircuit(OEIC)hasbecomeamajornewchallenge?zandEspeciallyhighresponsespeedfhighquantumefficiency,andlowdarkcurrenthi

3、gh-performaneephotodetector,isnotonlytheneedsfordevelopmentofopticalcommunicationtechnology,butalsorealizetheneedsforsiliconbasedoptoelectronicintegrated,hastheveryhighresearchvalue?Thispaperreviewsthedevelopmentofdifferentcharacteristicsandresultsofphotodetectorforthepastdecadediscussesthephotodete

4、ctordevelopmentdirectioninthenextfewyearszthestudyofhighperformancephotoelectricdetector,thestructure,andrelatedtechnology,manufacturing,hasveryimportantpracticalsignificance.KeyWord:photodetector,SifCMOS一.光電探測器1.18八光電探測器在光通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)將光轉(zhuǎn)變成電的作用,這主要是基于半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)，所謂的光生伏特效應(yīng)是指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差

5、的現(xiàn)象。（光電導(dǎo)效應(yīng)是指在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化的象。即當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí),若這個(gè)光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料,且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光電材料價(jià)帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去”使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象,光子作用于光電導(dǎo)材料，形成本征吸收或雜質(zhì)吸收,產(chǎn)生附加的光生載流子,從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化,產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。）1.2分類根據(jù)器件對輻射響應(yīng)的方式不同或者說器件工作的機(jī)理不同，光電探測器可分為兩大類：一類是光子探測器；另一類是熱探測器。根據(jù)形態(tài)也可分為兩大類：一是真空光電器件；另一類是固體光電器件

6、。固體光電器件又包括光敏電阻、光電池、光電二極管、光電三極管等光電探測器的基本工作機(jī)理包括三個(gè)過程：(1)光生載流子在光照下產(chǎn)生；(2)載流子擴(kuò)散或漂移形成電流;(3)光電流在放大電路中放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號。當(dāng)探測器表面有光照射時(shí),如果材料禁帶寬度小于入射光光子的能量即Eg<hv,則價(jià)帶電子可以躍遷到導(dǎo)帶形成光電流。當(dāng)光在半導(dǎo)體中傳輸時(shí)，光波的能量隨看傳播會(huì)逐漸衰減，其原因是光子在半導(dǎo)體中產(chǎn)生了吸收。半導(dǎo)體對光子的吸收最主要的吸收為本征吸收，本征吸收分為直接躍遷和間接躍遷。通過測試半導(dǎo)體的本征吸收光譜除了可以得到半導(dǎo)體的禁帶寬度等信息外,還可以用來分辨直接帶隙半導(dǎo)體和間接帶隙半導(dǎo)體。本征

7、吸收導(dǎo)致材料的吸收系數(shù)通常比較高,由于半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)所以半導(dǎo)體具有連續(xù)的吸收譜。從吸收譜可以看出,當(dāng)本征吸收開始時(shí),半導(dǎo)體的吸收譜有一明顯的吸收邊。但是對于硅材料，由于其是間接帶隙材料,與三五族材料相比躍遷幾率較低,因而只有非常小的吸收系數(shù)，同時(shí)導(dǎo)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。直接帶隙材料的吸收邊比間接帶隙材料陡峭很多，圖1-1畫出了幾種常用半導(dǎo)體材料(如GaAs、InP、InAs、Si、Ge、GaP等材料)的入射光波長和光吸收系數(shù)、滲透深度的關(guān)系波挨V(MViX)*<nAlXXTk3撫3OC-M光子能呈XXTM圖1-1半導(dǎo)體材料光吸收系數(shù)與波長的關(guān)系1.4光電

8、探測器的性能指標(biāo)光電探測器的性能指標(biāo)主要由量子效率、響應(yīng)度、響應(yīng)速度和本征帶寬、光電流,暗電流和噪聲等指標(biāo)組成：L量子效率:xlOO%生成的電子空穴對個(gè)數(shù)入射光子數(shù)/7=（1-嚴(yán)乩）（wa表示吸收層的厚度,as表示光吸收系數(shù)，入射波長入材料消光系數(shù)k決定吸收系數(shù)as=4nk/A。）考慮實(shí)際情況，入射光在探測器表面會(huì)被反射。同時(shí)探測器表面存在一定寬度的接觸摻雜區(qū)域，其中也會(huì)產(chǎn)生光子的消耗，考慮以上兩種因素的量子效率的表達(dá)式:/=(1_/?/)?小8"?(1兀)其中d表示接觸層厚度,Rf表示光電探測器表面的反射率。反射率與界面的折射率nsc和吸收層的消光系數(shù)k有關(guān)fRf可以表示成下式：R

9、f2向應(yīng)度：定義為光電探測器產(chǎn)生光電流與入射光功率比，單位通常為A/W。響應(yīng)度與量子效率的大小有關(guān)，為量子效率的外在體現(xiàn)。響應(yīng)度R:p廣或P表示光電探測器產(chǎn)生的光電流，表示光電探測器產(chǎn)生的光電流，p代表入射光功率。則量子效率可變?yōu)橄率奖硎?ijqPr/hv進(jìn)而可得響應(yīng)度的公式為：7可知響應(yīng)度與量子效率成正比，由于硅材料本身為間接帶隙，所以材料的量子效率較低，硅基光電探測器的響應(yīng)度也較小。3、響應(yīng)速度與本征帶寬響應(yīng)速度可以用光生載流子的渡越時(shí)間表示,載流子的渡越時(shí)間外在的頻率響應(yīng)的表現(xiàn)就是探測器的帶寬。光生載流子的渡越時(shí)間在光生電流變化中表現(xiàn)為兩部分：上升時(shí)間和下降時(shí)間。通常取上升時(shí)間和下降時(shí)間

10、中的較大者衡量探測器的響應(yīng)速度。決定探測器響應(yīng)速度的因素主要有：、耗盡區(qū)載流子渡越時(shí)間：載流子的渡越時(shí)間是影響探測器響應(yīng)速度的最重要V因素，當(dāng)耗盡區(qū)電場強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí)，d表示載流子的最大漂移速度,W表Wt=V示耗盡區(qū)寬度,那么載流子的渡越時(shí)間為：d6耗盡區(qū)外載流子擴(kuò)散時(shí)間：載流子擴(kuò)散的速度較慢，同時(shí)大多數(shù)產(chǎn)生于耗盡區(qū)之外的載流子的壽命非常短,復(fù)合發(fā)生速度快。所以擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)只對距離耗盡區(qū)圍較近的載流子才能通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到耗盡區(qū)中，并在電場中漂移產(chǎn)生光電流。De表示載流子的擴(kuò)散系數(shù)，d表示擴(kuò)散距離,則擴(kuò)散時(shí)間如下式:光電二極管耗盡區(qū)電容：越大，響應(yīng)速度就越慢。為了達(dá)到最優(yōu)的探測器的響應(yīng)速度,需要在探

11、測器的吸收層厚度和光電探測器的面積中折衷。如增大探測器材料的吸收層厚度可以有效減小耗盡區(qū)平板電容，同時(shí)可增大吸收層厚度可以提高探測器的量子效率。但是吸收層厚度的増加導(dǎo)致耗盡區(qū)寬度的變大,是光生載流子渡越時(shí)間變長而有可能降低探測器的響應(yīng)速度。暗電流和噪聲光電流指在入射光照射下光電探測器所產(chǎn)生的光生電流光電流指在入射光照射下光電探測器所產(chǎn)生的光生電流,暗電流可以定義為沒有光入射的小，是探測器的主要指標(biāo)之小，是探測器的主要指標(biāo)之情況下探測器存在的漏電流。其大小影響看光接收機(jī)的靈敏度大一。暗電流主要包括以下幾種：耗盡區(qū)中邊界的少子擴(kuò)散電流;載流子的產(chǎn)生-復(fù)合電流通過在加工中消除硅材料的晶格缺陷，可以有

12、效減小載流子的產(chǎn)生-復(fù)合電流適常對于高純度的單晶硅產(chǎn)生-復(fù)合電流可以降低到2x10八4/加腫以下；表面泄漏電流，在制造工藝結(jié)束時(shí)，對芯片表面進(jìn)行鈍化處理，可以將表面漏電流降低到1°人/mm2量級。當(dāng)然，暗電流也受探測器工作溫度和偏置電壓的影響。探測器的暗電流與噪聲是分不開的，通常光電探測器的噪聲主要分為暗電流噪聲、散粒噪聲和熱噪聲：a暗電流噪聲：對于一個(gè)光電探測器來講，可接收的最小光功率是由探測器的暗電流決定的，所以減小探測器的暗電流能提高光接收機(jī)的靈敏度；b散粒噪聲：當(dāng)探測器接收入射光時(shí)，散粒噪聲就產(chǎn)生于光子的產(chǎn)生-復(fù)合過程中。由于光生載流子的數(shù)量變化規(guī)律服從泊松統(tǒng)計(jì)分部，所以光生

13、載流子的產(chǎn)生過程存在散粒噪聲；c熱噪聲：由于導(dǎo)體中電子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)體兩端電壓的波動(dòng)，因此就會(huì)產(chǎn)生熱噪聲。光電探測器的電路模型中包含的電阻為其熱噪聲的主要來源。噪聲等效功率NEP:單位信噪比時(shí)的入射光功率NEPPNEPD-探測度D:§_Amax線性度:1.5光電探測器的選擇與主要應(yīng)用15.1光電探測器的應(yīng)用選擇光電探測器件的應(yīng)用選擇，實(shí)際上是應(yīng)用時(shí)的一些事項(xiàng)或要點(diǎn)。在很多要求不太嚴(yán)格的應(yīng)用中，可采用任何一種光電探測器件。不過在某些情況下,選用某種器件會(huì)更合適些。例如，當(dāng)需要比較大的光敏面積時(shí)，可選用真空光電管，因其光譜響應(yīng)圍1:匕較寬，故真空光電管普遍應(yīng)用于分光光度計(jì)中。當(dāng)被測輻

14、射信號微弱、要求響應(yīng)速度較高時(shí)，采用光電倍增管最合適,因?yàn)槠浞糯蟊稊?shù)可達(dá)100以上,這樣高的增益可使其信號超過輸出和放大線路的噪聲分量，使得對探測器的限制只剩下光陰極電流中的統(tǒng)計(jì)變化。因此，在天文學(xué)、光譜學(xué)、激光測距和閃爍計(jì)數(shù)等方面,光電倍增管得到廣泛應(yīng)用。目前，固體光電探測器用途非常廣。CdS光敏電阻因其成本低而在光亮面積的器件，它除用做探測器件外,還可作太陽能變換器;硅光電二極管體積小、響應(yīng)快、可靠性高，而且在可見光與近紅外波段有較高的量子效率,困而在各種工業(yè)控制中獲得應(yīng)用。硅雪崩管由于增益高、響應(yīng)快、噪聲小,因而在y與光纖通光測距信中普遍采用。<1>.光電探測器必須和輻射信號

15、源及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上相匹配。如果測量波長是紫外波段，則選用光電倍增管或?qū)ｉT的紫外光電半導(dǎo)體器件；如果信號是可見光，則可選用光電倍增管、光敏電阻和Si光電器件；如果是紅外信號,則選用光敏電阻,近紅外選用Si光電器件或光電倍增管。<2>、光電探測器的光電轉(zhuǎn)換特性必須和入射輻射能量相匹配。其中首先要注意器件的感光面要和照射光匹配好,因光源必須照到器件的有效位置,如光照位置發(fā)生變化,則光電靈敏度將發(fā)生變化。如光敏電阻是一個(gè)可變電阻，有光照的部分電阻就降八氐，必須使光線照在兩電極間的全部電阻體上,以便有效地利用全部感光面。光電二極管、光電三極管的感光面只是結(jié)附近的一個(gè)極小的面積，故一般把

16、透鏡作為光的入射窗，要把透鏡的焦點(diǎn)與感光的靈敏點(diǎn)對準(zhǔn)。一股要使入射通量的變化中心處于檢測器件光電持性的線性圍，以確保獲得良好的線性輸出。對微弱的光信號,器件必須有合適的靈敏度，以確保一定的信噪瞪口輸出足夠強(qiáng)的電信號。光電探測器的主要應(yīng)用photodetector利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種光探測器件。所謂光電導(dǎo)效應(yīng)，是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象。光電導(dǎo)探測器在軍事和國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域有廣泛用途。在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、工業(yè)自動(dòng)控制、光度計(jì)量等；在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感等方面。光電導(dǎo)體的另一應(yīng)用是用它做攝像管靶面。為了避免光

17、生載流子擴(kuò)散引起圖像模糊，連續(xù)薄膜靶面都用高阻多晶材料，如PbS-PbO.Sb2S3等。其他材料可采取鑲嵌靶面的方法,整個(gè)靶面由約10萬個(gè)單獨(dú)探測器組成。1873年，英國W.史密斯發(fā)現(xiàn)硒的光電導(dǎo)效應(yīng)，但是這種效應(yīng)長期處于探索研究階段，未獲實(shí)際應(yīng)用。第二次世界大戰(zhàn)以后,隨看半導(dǎo)體的發(fā)展，各種新的光電導(dǎo)材料不斷出現(xiàn)。在可見光波段方面,到50年代中期，性能良好的硫化鎘、硒化鎘光敏電阻和紅外波段的硫化鉛光電探測器都已投入使用。60年代初，中遠(yuǎn)紅外波段靈敏的Ge、Si摻雜光電導(dǎo)探測器研制成功，典型的例子是工作在35微米和814微米波段的Ge:Au（錯(cuò)摻金）和Ge:Hg光電導(dǎo)探測器。工作原理和特性光電導(dǎo)效

18、應(yīng)是光電效應(yīng)的一種。當(dāng)照射的光子能量hv等于或大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg時(shí)，光子能夠?qū)r(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生導(dǎo)電的電子、空穴對，這就是本征光電導(dǎo)效應(yīng)。這里h是普朗克常數(shù)，v是光子頻率,Eg是材料的禁帶寬度（單位為電子伏）。因此，本征光電導(dǎo)體的響應(yīng)長波限入c為入c二hc/Eg二L24/Eg（pm）式中c為光速。本征光電導(dǎo)材料的長波限受禁帶寬度的限制。通常,凡禁帶寬度或雜質(zhì)離化能合適的半導(dǎo)體材料都具有光電效應(yīng)。常用的光電導(dǎo)探測器材料在射線和可見光波段有：Si、Ge等;在近紅外波段有：PbS、PbSe等;在長于8微米波段有:Te、Si摻雜、Ge摻雜等；CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶

19、薄膜形式制成光電導(dǎo)探測器?？梢姽獠ǘ蔚墓怆妼?dǎo)探測器CdS、CdSe、CdTe的響應(yīng)波段都在可見光或近紅外區(qū)域，通常稱為光敏電阻。器件靈敏度用一定偏壓下每流明輻照所產(chǎn)生的光電流的大小來表示。例如一種CdS光敏電阻，當(dāng)偏壓為70伏時(shí),暗電流為10e-610e-8安,光照靈敏度為310安/流明。CdSe光敏電阻的靈敏度一般比CdS高。光敏電阻另一個(gè)重要參數(shù)是時(shí)間常數(shù)T,它表示器件對光照反應(yīng)速度的大小。光照突然去除以后，光電流下降到最大值的1/e（約為37%）所需的時(shí)間為時(shí)間常數(shù)To也有按光電流下降到最大值的10%計(jì)算T的；各種光敏電阻的時(shí)間常數(shù)差別很大。CdS的時(shí)間常數(shù)比較大（ms級），響應(yīng)波長越長

20、的光，電導(dǎo)體這種情況越顯著，其中13微米波段的探測器可以在室溫工作。紅外探測器有時(shí)要探測非常微弱的輻射信號，例如10-14瓦；輸出的電信號也非常小，因此要有專門的前置放大器。二.光電探測器的發(fā)展歷程近年來光電探測器的研究引起人們的重視，在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下的Si光電探測器的發(fā)展更是取得了矚目的結(jié)果。經(jīng)過一年看過的相關(guān)文獻(xiàn)得出結(jié)論：2005年到2015年是CMOS發(fā)表的量較大的時(shí)期,同時(shí)在這一階段的光電探測器的發(fā)展也呈現(xiàn)逐年上升趨勢,光電探測器的的應(yīng)用圍也在逐步的擴(kuò)大，為我們以后的研究開發(fā)奠定了一定的發(fā)展空間。在現(xiàn)在這個(gè)注重創(chuàng)新與節(jié)能的時(shí)代，光電探測器的有看不可替代的作用，在工業(yè)及軍事等各個(gè)領(lǐng)域

21、都有看廣闊的發(fā)展前景。2000年到2015年間，以CMOS&PHOTODECTOR為關(guān)鍵字的文獻(xiàn)共359篇，其中發(fā)表的ConferencePublications會(huì)議文獻(xiàn)有242篇，發(fā)表在Journal&Magazines的報(bào)紙雜志上共有115篇,EarlyAccessArticles早期訪問文童有2篇。2.1硅基光電探測器本節(jié)介紹PIN光電探測器、N阱/P襯底光電探測器、P+/N阱/P襯底雙光電探測器和空間調(diào)制探測器。其中，響應(yīng)度高響應(yīng)速度快的PIN光電探測器雖然是硅基光電探測器，但是由于其中加入了本征層，不能與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容。1、PIN光電探測器在光電探測器的P型區(qū)域

22、和N型區(qū)域之間加入一層本征層就形成了PIN光電探測器，由于本征層的加入耗盡區(qū)的寬度大大提高，進(jìn)而提高了PIN光電探測器的性能，下面介紹的PIN光電探測器的PN結(jié)是橫向的，所以稱為橫向PIN光電探測器。橫向PIN光電探測器結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示,制作橫向PIN光電探測器的Si襯底是未摻雜的，所以襯底電阻率較高。耗盡區(qū)在本征Si襯底形成，由于本征襯底是未摻雜的，所以PIN光電探測器具有比較寬的耗盡區(qū)，因而具有比較大的量子效率和較高的響應(yīng)度。然而，在橫向結(jié)構(gòu)的PIN探測器中，電場強(qiáng)度由表面到部迅速減小，也就是說探測器的表面集中了大部分的電場強(qiáng)度。在低頻下，橫向PIN探測器的響應(yīng)度是比較高的，但只有在表

23、面處生成的光生載流子才是快速載流子,可以工作在高速率下。而在襯底中產(chǎn)生的載流子因?yàn)橥ㄟ^擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)到達(dá)電極，從而很大程度上削弱了PIN光電探測器的性能。此外，由于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中的襯底材料通常為P型的，所以采用本征襯底的橫向PIN光電探測器與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝不兼容。?電路刮橫向FIN光電二極管-陽極陰極SiO2未摻雜襯底圖2橫向PIN光電探測器結(jié)構(gòu)圖2、N阱/P襯底光電探測器N阱/P襯底結(jié)構(gòu)的光電探測器是利用N阱與P襯底形成的PN結(jié)二極管來形成光生電流信號。在入射光照射下，該光電探測器的光生電流主要由P襯底擴(kuò)散電流、N阱擴(kuò)散電流和PN結(jié)耗盡區(qū)漂移電流所構(gòu)成。對于波長為850nm的入射光，硅襯底

24、的吸收深度約為二十微米，這導(dǎo)致P襯底擴(kuò)散電流占據(jù)了總光生電流的較大比例，由于襯底深處的載流子擴(kuò)散時(shí)間過長，因而P襯底擴(kuò)散電流的響應(yīng)速度比較慢。對于N阱擴(kuò)散電流來說，由于在亞微米CMOS工藝中N阱的阱深通常不到1pm,所以N阱區(qū)域產(chǎn)生的光生載流子在到達(dá)耗盡區(qū)之前擴(kuò)散距離端擴(kuò)散時(shí)間少。通常來講,N阱擴(kuò)散電流的本征帶寬可達(dá)到數(shù)百兆赫茲。但與吸收深度相比，N阱的阱深太淺，產(chǎn)生的光生載流子較少，因而響應(yīng)度比較低。N阱擴(kuò)散電流帶寬與漂移電流相比，N阱擴(kuò)散電流的本征帶寬仍相對較低。下面舉例說明通常情況下各種電流的速度，如在0.18pm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下，入射光波長為850nm,低摻雜的P襯底所形成的擴(kuò)散電流

25、的本征帶寬大約3.5MHz,在高摻雜的P襯底中形成的擴(kuò)散電流帶寬約為5MHz,比低摻雜襯底速度稍快。與襯底擴(kuò)散電流相比，寬N阱的擴(kuò)散電流的本征帶寬大約在450MHz左右，窄N阱的擴(kuò)散電流相對較快，帶寬約為900MHzf但由于N阱/P襯底光電探測器的帶寬由P襯底的擴(kuò)散電流的本征帶寬決定，所以該光電探測器整體帶寬非常低。3、叉指型P+/N阱/P襯底雙光電探測器由上一小節(jié)的敘述，由于CMOS工藝中P襯底中產(chǎn)生的載流子通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到電極，其擴(kuò)散速度和本征帶寬都非常差,因此要想提高光電探測器的本征帶寬必須將P襯底產(chǎn)生的光生載流子消除。為了避免漂移區(qū)外襯底產(chǎn)生的擴(kuò)散光生載流子的對探測器速度的影響,并且在

26、標(biāo)準(zhǔn)CMOS下不增加工藝的復(fù)雜度，文獻(xiàn)曠8提出了一種叉指型雙光電二極管（DPD）,其結(jié)構(gòu)如圖2-2所示圖2-2叉指型P+/N阱/P襯底雙光電探測器在叉指型雙光電探測器中,N阱區(qū)域的面積定義為探測器的工作面積，P+保護(hù)環(huán)包圍在N阱周圍。在N阱中，并排的長條形P+擴(kuò)散區(qū)作為叉指型探測器的陽極，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于形成盡可能多的PN結(jié)耗盡區(qū)，從而能夠收集更多的光生載流子。在叉指型雙光電二極管中，叉指P+區(qū)域和N阱構(gòu)成一個(gè)叉指二極管，稱為工作二極管；N阱區(qū)域和P襯底構(gòu)成個(gè)二極管，叫做屏蔽二極管。在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中，不需要做任何修改就可以實(shí)現(xiàn)該光電探測器。當(dāng)雙光電探測器工作時(shí)，N阱接到接收機(jī)接收的電源電

27、壓，P+區(qū)域和接收機(jī)的輸入端連接，而P襯底和接收機(jī)的"地"連接。由于屏蔽二極管的兩個(gè)電極與接收機(jī)的電源電壓和地連接，所以產(chǎn)生在P襯底的擴(kuò)散載流子流進(jìn)了接收機(jī)的電源，沒有對光接收機(jī)的輸入光電流產(chǎn)生貢獻(xiàn)。而由P+和N阱構(gòu)成的二極管的本身響應(yīng)速度比較高，它產(chǎn)生的光電流輸入光接收機(jī)，形成光響應(yīng)。由于P+區(qū)域使用叉指形狀，能夠增加耗盡區(qū)的面積，提高工作二極管的響應(yīng)度8】。4、空間調(diào)制光電探測器由于CMOS工藝襯底深處的慢載流子的影響，光電探測器的響應(yīng)速度不能提高，為了提高光電探測器的響應(yīng)速度，必須抑制或去除襯底深處的慢載流子。在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下,空間調(diào)制光電探測器便使用了這種原理從

28、而提高了探測器的工作速度?？臻g調(diào)制光電探測器由高Di?！?。其結(jié)構(gòu)如圖一個(gè)受光光電探測器和一個(gè)非受光光電探測器組成，由于襯底產(chǎn)生的低速載流子被探測器通過光電流之差消除，所以空間調(diào)制探測器的工作速度得到了明顯的提2-3所示，空間調(diào)制光電探測器的結(jié)構(gòu)能夠兼容與商用CMOS工藝Q冬3饗&&hipu，LightQ0圖2-3空間調(diào)制探測器結(jié)構(gòu)圖空間調(diào)制光電探測器包括一個(gè)收集快載流子和慢載流子的受光探測器(immediatedetector)和一個(gè)只收集慢載流子的非受光探測器(deferreddetector)。非受光探測器通過覆蓋金屬2(選擇金屬2直到金屬5更佳)使入射光屏蔽。當(dāng)入射光照射

29、到探測器時(shí)，被金屬覆蓋的探測器不能接受光照，只產(chǎn)生擴(kuò)散光生載流子，即慢載流子。受光探測器吸收光照,同時(shí)產(chǎn)生快光生載流子和慢光生載流子，即載流子的分布被空間調(diào)制探測器表面的金屬調(diào)制了。如果我們將受光探測器產(chǎn)生的光電流和非受光探測器產(chǎn)生的光電流相減，那么就能消除擴(kuò)散成分所導(dǎo)致的影響，去除因擴(kuò)散成分產(chǎn)生的光電流的托尾而提高了整體的響應(yīng)速度。但這樣相減的前提是載流子的調(diào)制實(shí)際要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于載流子的消失時(shí)間，也就是說只有在光照入射的很短的一段時(shí)間載流子分布才是被調(diào)制的，其他的時(shí)間載流子在這兩個(gè)區(qū)域是分布均勻的。分析表明，襯底摻雜濃度越小，叉指周期長度越小，空間調(diào)制光電探測器的帶寬越寬。空間調(diào)制光電探測器具有

30、兩個(gè)缺點(diǎn)：一、通過差分相減的方式消除了來自襯底的慢載流子，雖然提高了探測器的速度，但對于N阱/P襯底光電二極管來說，也損失了非常大的響應(yīng)度;二、在空間調(diào)制光電探測器中，非受光探測器和受光探測器的面積相等，所以只有一半探測器的面積用來產(chǎn)生快載流子，幾乎損失了一半的響應(yīng)度M。22常見的標(biāo)準(zhǔn)CMOS光電探測器常見的光電探測器均是基于PN結(jié)來構(gòu)造的，其原理是利用N型半導(dǎo)體區(qū)域和P型半導(dǎo)體區(qū)域形成的PN結(jié)耗盡區(qū)（即光電二極管床進(jìn)行光信號探測。1、N+/PWELL光電探測器常見的標(biāo)準(zhǔn)CMOS光電探測器如圖2-4所示的N+/PWELL光電探測器，其原理是減小P-SUB區(qū)慢擴(kuò)散光生載流子的影響,利用N+和PW

31、ELL形成的PN結(jié)耗盡區(qū)來形成具有較高本征帶寬的光生電流信號，但由于是制作在P-SUB上,而PWELL與P-SUB都是P型半導(dǎo)體區(qū)域,這將導(dǎo)致N+/PWELL光電探測器不能實(shí)現(xiàn)與P-SUB有效隔離，即P-SUB區(qū)的慢光生載流子仍能以一定的幾率擴(kuò)散至N+與PWELL形成的PN結(jié)耗盡區(qū)并形成光生電流,因而本征帶寬不是很咼。P-substrate圖24N+/PWELL光電探測器2、P+/NWELL/P-SUBCMOS雙光電探測器N+/PWELL光電探測器結(jié)構(gòu)改進(jìn)為如圖2-5所示的P+/NWELL/P-SUB雙光電探測器結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)中構(gòu)造出兩個(gè)二極管，其中的工作二極管由P+和NWELL形成,屏蔽二極管

32、則由NWELL和P-SUB形成。當(dāng)該雙光電探測器處于工作狀態(tài)時(shí)，P+區(qū)的引出電極為輸出端，NWELL的引出電極連接電源（VDD）,P-SUB的引出電極則連接至地（此時(shí)兩個(gè)二極管均處于反偏狀態(tài)。由于電源和地均等效為交流地，故在交流狀態(tài)下NWELL/P-SUB屏蔽二極管完全被短路至交流地。由于P-SUB區(qū)光生載流子完全被屏蔽二極管所吸收，不能擴(kuò)散到工作二極管區(qū)域，因而P-SUB區(qū)光生載流子形成的擴(kuò)散電流完全被短路至交流地，從而徹底消除了P-SUB區(qū)慢擴(kuò)散載流子對光電探測器響應(yīng)速度的限制。此外，該雙光電探測器還利用插指型P+區(qū)使工作二極管的PN結(jié)耗盡區(qū)最大化，從而可迅速地收集工作二極管區(qū)域的光生載流

33、子，使光電探測器的響應(yīng)度和本征帶寬得到了進(jìn)一步提高。P-substnue2-5P+/NWELL/P-SUBCMOS雙光電探測器3、差分光電探測器基于P+/NWELL型PN結(jié)的全差分光電探測器，其結(jié)構(gòu)圖見2-6。該全差分光電探測器由兩個(gè)形狀和尺寸完全相同且對稱的方形P+/NWELL/P-SUB雙光電二極管組成，且每個(gè)雙光電二極管的受光區(qū)域面積為總受光區(qū)域面積的一半。由P+/NWELL/P-SUBCMOS雙光電探測器的工作原理可得該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是避免慢光生載流子大大降低光電探測器的本征帶寬和光信號探測速度。提高了響應(yīng)度。但不足之處是設(shè)計(jì)較為簡單，不能達(dá)到較好的全差分持性。Mela11P?substr

34、ate圖2-6基于P+/NWELL型PN結(jié)的全差分光電探測器2.3誼振腔増強(qiáng)型光電探測器(IXPINRCE光電探測器該類型的探測器能夠成為高速光電探測的首要選擇的器件12,主要基于其噪聲小、暗電流持性好。工作波長在1.55pm左右，由Dentai等人報(bào)道了的InGaAs/InGaAs/lnP結(jié)構(gòu)的RCEPIN光電探測器問。器件如圖2-7所示，入射光垂直進(jìn)入器件，上下反射鏡都是由Brag反射鏡構(gòu)成，合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)反射鏡的堆棧結(jié)構(gòu)，調(diào)整頂部反射鏡、底部反射鏡的反射率，以及諧振腔腔體的尺寸厚度，使得器件的量子效率達(dá)到最大值。、Rt表示頂部反射鏡的反射率，Rb表示底部反射鏡的反射率，當(dāng)Rt二0.7,R

35、b二0.95，吸收層的厚度為200nm時(shí)，器件的最大量子效率為82%。hv(21RCE肖特基(Schottky)光電探測器RCESchottky光電探測器是首批被報(bào)道的RCE器件之一【。光從頂層入射時(shí)金屬層的透光較差，所以頂層應(yīng)換成半透明層Schottky接觸。近年來諧振腔增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的光電探測器是光電子器件的主要新種類，它很好的解決了普通光電二極管量子效率和帶寬間相互約束的關(guān)系，所以RCE光電探測器對肖特基型光電檢測器具有很大的影響力?，F(xiàn)已報(bào)道光電二極管的3dB響應(yīng)帶寬可做到IOOGHz37,其采用的諧振腔結(jié)構(gòu)。采用分子束外延法MBE(molecularbeamepitaxy)來生長反射鏡結(jié)構(gòu)，

36、頂層反射鏡為Au接觸層,在Au接觸層上再淀積一層SI3N4增透膜來增加透光，底層反射鏡是由AlAs-GaAs材料組成DBR反射鏡結(jié)構(gòu)。并通過合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)InGaAs吸收層在諧振腔腔體中的位置，使得光生載流子的輸運(yùn)時(shí)間最短,從而提高探測器的響應(yīng)速率。金屬/半導(dǎo)體/金屬(MSM)結(jié)構(gòu)的RCE光探測器MSM結(jié)構(gòu)基于其平面配置結(jié)構(gòu)電極，本身電容較小，極易獲得高的響應(yīng)帶寬(2050GHz)Xi?,諧振微腔的引入，進(jìn)一步縮小了器件的響應(yīng)光譜寬(vlnml雖然響應(yīng)帶寬較高，但量子效率仍然不高。若入射光光照是mw級的照射，其生成的響應(yīng)電流僅有nA級別。(41RCE雪崩光電二極管(APD)RCE雪崩光電二極管

37、的結(jié)構(gòu)也得到很大的關(guān)注和研究，并有相應(yīng)的成果展示18,19電子在躍遷的過程中得到足夠多的能量，同時(shí)在電場的作用力下加速，形成碰撞電離，形成的電子-空穴對在電場的作用下加速，進(jìn)而產(chǎn)生更多的電子-空穴對，這就是二極管的雪崩倍增效應(yīng)，使得光電二極管在低壓下即可獲得較大增益，增益區(qū)電場強(qiáng)度得到了增強(qiáng)，器件可在小功率下工作。現(xiàn)在，已報(bào)道的實(shí)際測得的RCE光電探測器最好的性能指標(biāo)為：量子效率73%,光譜響應(yīng)半峰寬為1.7nm，接近理論上的極值，很難在保持量子效率很高的同時(shí)獲得窄的譜線寬。另外，由于駐波效應(yīng)的影響，吸收層的位置也會(huì)對量子效率造成影響20】。當(dāng)吸收層非常薄時(shí)(v200nm),可采用改變諧振腔的

38、腔長或者材料來進(jìn)行調(diào)諧時(shí)，吸收層位置的微小移動(dòng)將會(huì)影響吸收層中的光電場分布在最值的之間波動(dòng)，影響器件的量子效率。(5)SOI基CMOSRCE光電探測器普通的RCE光電探測器利用VCSEL激光器提供光源，其入射光方式都是垂直入射，在襯底上依次生長底層DBR層、吸收層、頂層DBR。為了結(jié)構(gòu)的簡單，有些頂層DBR直接利用空氣與半導(dǎo)體界面的反射，其反射率約為34%。光線多丿公介質(zhì)股P襯底圖2-8基于SOICMOS工藝的RCE光電探測器的基本結(jié)構(gòu)Si膜P-substrate圖2-9SOI基CMOSRCE光電探測器的結(jié)構(gòu)SOI基CMOSRCE光探測器的DBR頂鏡反射鏡采用Si-SiO2組成，底部反射鏡由材

39、料本身的埋氧化層厚度決定，pn結(jié)的耗盡區(qū)作為器件的吸收層，來設(shè)計(jì)850nm通信波段的RCE光探測器，器件結(jié)構(gòu)如圖22-9所示。入射光透過頂部反射鏡進(jìn)入諧振腔，在上下反射鏡構(gòu)成的諧振腔作用下光在其中來回的行進(jìn),若腔體設(shè)計(jì)合理，可使得光波得到諧振增強(qiáng)”耗盡層中吸收的光能量轉(zhuǎn)化為電信號輸出。二、光電探測器的現(xiàn)狀評述及未來預(yù)測目前，隨看光纖通信、紅外遙感和軍事應(yīng)用需求的不斷增長促進(jìn)了半導(dǎo)體光電器件及其光電路的發(fā)展。圍繞看光電系統(tǒng)開展各種關(guān)鍵技術(shù)研究，以實(shí)現(xiàn)具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的光電探測器。光電探測器作為光纖通信中解復(fù)用接受技術(shù)的關(guān)鍵器件之一，未來應(yīng)該具有一些鮮明的特點(diǎn)：信道中心波長位置

40、可以調(diào)諧、高速、單片集成，相應(yīng)的其他一些特點(diǎn)也應(yīng)該具有：信道波長的分辨能力強(qiáng)、調(diào)諧時(shí)間短、溫度穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)密集，成本低等。響應(yīng)度與量子效率之間相互約束的問題不僅在RCE光電探測器這種結(jié)構(gòu)的器件上得以解決，同時(shí)還使其具有量子效率高、響應(yīng)度高以及波長選擇等特性，成就了諧振腔型光電探測器的在WDM系統(tǒng)中的解復(fù)用接受應(yīng)用的理想選擇。不過，還有部分需要改進(jìn)，如可調(diào)諧、較好的通帶性能、易于集成等。所以，還是需要進(jìn)一步的硏究RCE光電探測器的性能，以期這些特性的實(shí)現(xiàn)。四.參考文獻(xiàn)MaoLuhong,SimulationandDesignofaCMOS-Process-CompatibleHigh-Spee

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