光电探测器综述(PD).doc

1、1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 the photoelectri

2、c 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. Especially high respon

3、se 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 reviews the developme

4、nt of different characteristics and results of photodetector for the past decade, and discusses the photodetector development direction in the next few years,the study of high performance photoelectric detector, the structure, and related technology, manufacturing, has very important practical signi

5、ficance.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

6、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2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Eg、光电探测器必须和辐

7、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，6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、光电三极管的感光面只是结附近的一个极小的面积，故一般把透

8、镜作为光的入射窗，要把透镜的焦点与感光的灵敏点对准。一股要使入射通量的变化中心处于检测器件光电特性的线性范围内 5，以确保获得良好的线性输出。对微弱的光信号，器件必须有合适的灵敏度，以确保一定的信噪比和输出足够强的电信号。 1.5.2 光电探测器的主要应用photodetector 利 用 半 导 体 材 料 的 光 电 导 效 应 制 成 的 一 种 光 探 测 器 件 。 所谓 光 电 导 效 应 ， 是 指 由 辐 射 引 起 被 照 射 材 料 电 导 率 改 变 的 一 种 物 理 现 象 。 光电 导 探 测 器 在 军 事 和 国 民 经 济 的 各 个 领 域 有 广 泛 用

9、途 。 在 可 见 光 或 近 红 外 波段 主 要 用 于 射 线 测 量 和 探 测 、 工 业 自 动 控 制 、 光 度 计 量 等 ； 在 红 外 波 段 主 要用 于 导 弹 制 导 、 红 外 热 成 像 、 红 外 遥 感 等 方 面 。 光 电 导 体 的 另 一 应 用 是 用 它做 摄 像 管 靶 面 。 为 了 避 免 光 生 载 流 子 扩 散 引 起 图 像 模 糊 ， 连 续 薄 膜 靶 面 都 用高 阻 多 晶 材 料 ,如 PbS-PbO、 Sb2S3 等 。 其 他 材 料 可 采 取 镶 嵌 靶 面 的 方 法 ，整 个 靶 面 由 约 10 万 个 单

10、独 探 测 器 组 成 。 1873 年 ， 英 国 W.史 密 斯 发 现 硒 的 光 电 导 效 应 ， 但 是 这 种 效 应 长 期 处 于探 索 研 究 阶 段 ， 未 获 实 际 应 用 。 第 二 次 世 界 大 战 以 后 ， 随 着 半 导 体 的 发 展 ，各 种 新 的 光 电 导 材 料 不 断 出 现 。 在 可 见 光 波 段 方 面 ， 到 50 年 代 中 期 ， 性 能良 好 的 硫 化 镉 、 硒 化 镉 光 敏 电 阻 和 红 外 波 段 的 硫 化 铅 光 电 探 测 器 都 已 投 入 使用 。 60 年 代 初 ， 中 远 红 外 波 段 灵 敏 的

11、 Ge、 Si 掺 杂 光 电 导 探 测 器 研 制 成 功 ，典 型 的 例 子 是 工 作 在 3 5 微 米 和 8 14 微 米 波 段 的 Ge:Au（ 锗 掺 金 ） 和Ge:Hg 光 电 导 探 测 器 。 工 作 原 理 和 特 性 光 电 导 效 应 是 内 光 电 效 应 的 一 种 。当 照 射 的 光 子 能 量 hv 等 于 或 大 于 半 导 体 的 禁 带 宽 度 Eg 时 ， 光 子 能 够 将 价带 中 的 电 子 激 发 到 导 带 ， 从 而 产 生 导 电 的 电 子 、 空 穴 对 ,这 就 是 本 征 光 电 导效 应 。 这 里 h 是 普 朗

12、克 常 数 ， v 是 光 子 频 率 ,Eg 是 材 料 的 禁 带 宽 度 （ 单 位 为电 子 伏 ） 。 因 此 ， 本 征 光 电 导 体 的 响 应 长 波 限 c 为 c=hc/Eg=1.24/Eg ( m) 式 中 c 为 光 速 。 本 征 光 电 导 材 料 的 长 波 限 受 禁 带 宽 度 的 限 制 。 通 常 ， 凡 禁 带 宽 度 或 杂 质 离 化 能 合 适 的 半 导 体 材 料 都 具 有 光 电 效 应 。 常用 的 光 电 导 探 测 器 材 料 在 射 线 和 可 见 光 波 段 有 ： Si、 Ge 等 ;在 近 红 外 波 段 有 ：PbS、 P

13、bSe 等 ;在 长 于 8 微 米 波 段 有 : Te、 Si 掺 杂 、 Ge 掺 杂 等 ；CdS、 CdSe、 PbS 等 材 料 可 以 由 多 晶 薄 膜 形 式 制 成 光 电 导 探 测 器 。 可 见 光波 段 的 光 电 导 探 测 器 CdS、 CdSe、 CdTe 的 响 应 波 段 都 在 可 见 光 或 近 红 外区 域 ， 通 常 称 为 光 敏 电 阻 。 器 件 灵 敏 度 用 一 定 偏 压 下 每 流 明 辐 照 所 产 生 的 光 电 流 的 大 小 来 表 示 。 例如 一 种 CdS 光 敏 电 阻 ,当 偏 压 为 70 伏 时 ， 暗 电 流

14、为 10e-6 10e-8 安 ， 光 照灵 敏 度 为 3 10 安 /流 明 。 CdSe 光 敏 电 阻 的 灵 敏 度 一 般 比 CdS 高 6。 光 敏电 阻 另 一 个 重 要 参 数 是 时 间 常 数 ， 它 表 示 器 件 对 光 照 反 应 速 度 的 大 小 。7光 照 突 然 去 除 以 后 ， 光 电 流 下 降 到 最 大 值 的 1/e（ 约 为 37%） 所 需 的 时 间为 时 间 常 数 。 也 有 按 光 电 流 下 降 到 最 大 值 的 10%计 算 的 ;各 种 光 敏 电阻 的 时 间 常 数 差 别 很 大 。 CdS 的 时 间 常 数 比

15、较 大 （ ms 级 ） ,响 应 波 长 越 长 的光 ， 电 导 体 这 种 情 况 越 显 著 ， 其 中 1 3 微 米 波 段 的 探 测 器 可 以 在 室 温 工 作 。红 外 探 测 器 有 时 要 探 测 非 常 微 弱 的 辐 射 信 号 ,例 如 10-14 瓦 ； 输 出 的 电信 号 也 非 常 小 ,因 此 要 有 专 门 的 前 置 放 大 器 。二 、 光 电 探 测 器 的 发 展 历 程近 年 来 光 电 探 测 器 的 研 究 引 起 人 们 的 重 视 ， 在 标 准 CMOS 工 艺 下 的 Si光 电 探 测 器 的 发 展 更 是 取 得 了 瞩

16、目 的 结 果 。 经 过 一 年 看 过 的 相 关 文 献 得 出结 论 ： 2005 年 到 2015 年 是 CMOS 发 表 的 量 较 大 的 时 期 ， 同 时 在 这 一 阶 段的 光 电 探 测 器 的 发 展 也 呈 现 逐 年 上 升 趋 势 ， 光 电 探 测 器 的 的 应 用 范 围 也 在 逐步 的 扩 大 ， 为 我 们 以 后 的 研 究 开 发 奠 定 了 一 定 的 发 展 空 间 。 在 现 在 这 个 注 重创 新 与 节 能 的 时 代 ， 光 电 探 测 器 的 有 着 不 可 替 代 的 作 用 ， 在 工 业 及 军 事 等 各个 领 域 都

17、有 着 广 阔 的 发 展 前 景 。2000 年 到 2015 年 间 ， 以 CMOS&PHOTODECTOR 为 关 键 字 的 文 献 共359 篇 ， 其 中 发 表 的 Conference Publications 会 议 文 献 有 242 篇 ， 发 表 在Journal&Magazines 的 报 纸 杂 志 上 共 有 115 篇 ， Early Access Articles 早 期访 问 文 章 有 2 篇 。2.1 硅 基 光 电 探 测 器本 节 介 绍 PIN 光 电 探 测 器 、 N 阱 /P 衬 底 光 电 探 测 器 、 P+/N 阱 /P 衬底 双 光

18、 电 探 测 器 和 空 间 调 制 探 测 器 。 其 中 ， 响 应 度 高 响 应 速 度 快 的 PIN 光 电 探 测 器 虽 然 是 硅 基 光 电 探 测 器 ， 但 是 由 于 其 中 加 入 了 本 征 层 ， 不 能 与 标准 CMOS 工 艺 兼 容 。1、 PIN 光 电 探 测 器在 光 电 探 测 器 的 P 型 区 域 和 N 型 区 域 之 间 加 入 一 层 本 征 层 就 形 成 了PIN 光 电 探 测 器 ， 由 于 本 征 层 的 加 入 耗 尽 区 的 宽 度 大 大 提 高 ， 进 而 提 高 了 PIN 光 电 探 测 器 的 性 能 ， 下 面

19、 介 绍 的 PIN 光 电 探 测 器 的 PN 结 是 横 向 的 ，所 以 称 为 横 向 PIN 光 电 探 测 器 。 横 向 PIN 光 电 探 测 器 结 构 图 如 图 2-1 所示 ， 制 作 横 向 PIN 光 电 探 测 器 的 Si 衬 底 是 未 掺 杂 的 ， 所 以 衬 底 电 阻 率 较高 。 耗 尽 区 在 本 征 Si 衬 底 形 成 ， 由 于 本 征 衬 底 是 未 掺 杂 的 ， 所 以 PIN 光 电 探 测 器 具 有 比 较 宽 的 耗 尽 区 ， 因 而 具 有 比 较 大 的 量 子 效 率 和 较 高 的 响 应度 。 然 而 ， 在 横

20、向 结 构 的 PIN 探 测 器 中 ， 电 场 强 度 由 表 面 到 内 部 迅 速 减 小 ，也 就 是 说 探 测 器 的 表 面 集 中 了 大 部 分 的 电 场 强 度 。 在 低 频 下 ， 横 向 PIN 探 测 器 的 响 应 度 是 比 较 高 的 ， 但 只 有 在 表 面 处 生 成 的 光 生 载 流 子 才 是 快 速 载流 子 ， 可 以 工 作 在 高 速 率 下 。 而 在 衬 底 中 产 生 的 载 流 子 因 为 通 过 扩 散 运 动 到达 电 极 ， 从 而 很 大 程 度 上 削 弱 了 PIN 光 电 探 测 器 的 性 能 。 此 外 ， 由

21、 于 标 准 8CMOS 工 艺 中 的 衬 底 材 料 通 常 为 P 型 的 ， 所 以 采 用 本 征 衬 底 的 横 向 PIN光 电 探 测 器 与 标 准 的 CMOS 工 艺 不 兼 容 。图 2-1 横 向 PIN 光 电 探 测 器 结 构 图2、 N 阱 /P 衬 底 光 电 探 测 器N 阱 /P 衬 底 结 构 的 光 电 探 测 器 是 利 用 N 阱 与 P 衬 底 形 成 的 PN 结二 极 管 来 形 成 光 生 电 流 信 号 。 在 入 射 光 照 射 下 ， 该 光 电 探 测 器 的 光 生 电 流 主要 由 P 衬 底 扩 散 电 流 、 N 阱 扩

22、散 电 流 和 PN 结 耗 尽 区 漂 移 电 流 所 构 成 。对 于 波 长 为 850 nm 的 入 射 光 ， 硅 衬 底 的 吸 收 深 度 约 为 二 十 微 米 ， 这 导 致 P 衬 底 扩 散 电 流 占 据 了 总 光 生 电 流 的 较 大 比 例 ， 由 于 衬 底 深 处 的 载 流 子 扩 散时 间 过 长 ， 因 而 P 衬 底 扩 散 电 流 的 响 应 速 度 比 较 慢 。 对 于 N 阱 扩 散 电 流来 说 ， 由 于 在 亚 微 米 CMOS 工 艺 中 N 阱 的 阱 深 通 常 不 到 1 m， 所 以 N 阱 区 域 产 生 的 光 生 载 流

23、 子 在 到 达 耗 尽 区 之 前 扩 散 距 离 端 扩 散 时 间 少 。 通 常来 讲 ， N 阱 扩 散 电 流 的 本 征 带 宽 可 达 到 数 百 兆 赫 兹 。 但 与 吸 收 深 度 相 比 ，N 阱 的 阱 深 太 浅 ， 产 生 的 光 生 载 流 子 较 少 ， 因 而 响 应 度 比 较 低 。 N 阱 扩 散电 流 带 宽 与 漂 移 电 流 相 比 ， N 阱 扩 散 电 流 的 本 征 带 宽 仍 相 对 较 低 。 下 面 举例 说 明 通 常 情 况 下 各 种 电 流 的 速 度 ， 如 在 0.18 m 标 准 CMOS 工 艺 下 ，入 射 光 波

24、长 为 850nm， 低 掺 杂 的 P 衬 底 所 形 成 的 扩 散 电 流 的 本 征 带 宽 大 约 3.5 MHz， 在 高 掺 杂 的 P 衬 底 中 形 成 的 扩 散 电 流 带 宽 约 为 5 MHz， 比 低 掺杂 衬 底 速 度 稍 快 。 与 衬 底 扩 散 电 流 相 比 ， 宽 N 阱 的 扩 散 电 流 的 本 征 带 宽 大约 在 450 MHz 左 右 ， 窄 N 阱 的 扩 散 电 流 相 对 较 快 ， 带 宽 约 为 900 MHz， 但 由 于 N 阱 /P 衬 底 光 电 探 测 器 的 带 宽 由 P 衬 底 的 扩 散 电 流 的 本征 带 宽

25、决 定 ， 所 以 该 光 电 探 测 器 整 体 带 宽 非 常 低 。3、 叉 指 型 P /N 阱 /P 衬 底 双 光 电 探 测 器由 上 一 小 节 的 叙 述 ， 由 于 CMOS 工 艺 中 P 衬 底 中 产 生 的 载 流 子 通 过扩 散 运 动 达 到 电 极 ， 其 扩 散 速 度 和 本 征 带 宽 都 非 常 差 ， 因 此 要 想 提 高 光 电 探测 器 的 本 征 带 宽 必 须 将 P 衬 底 产 生 的 光 生 载 流 子 消 除 。 为 了 避 免 漂 移 区 外衬 底 产 生 的 扩 散 光 生 载 流 子 的 对 探 测 器 速 度 的 影 响 ，

26、 并 且 在 标 准 CMOS 下 不 增 加 工 艺 的 复 杂 度 ， 文 献 7，8 提 出 了 一 种 叉 指 型 双 光 电 二 极 管（ DPD） ， 其 结 构 如 图 2-2 所 示 。9图 2-2 叉 指 型 P /N 阱 /P 衬 底 双 光 电 探 测 器在 叉 指 型 双 光 电 探 测 器 中 ， N 阱 区 域 的 面 积 定 义 为 探 测 器 的 工 作 面 积 ，P+保 护 环 包 围 在 N 阱 周 围 。 在 N 阱 中 ， 并 排 的 长 条 形 P+扩 散 区 作 为 叉指 型 探 测 器 的 阳 极 ， 这 种 拓 扑 结 构 有 利 于 形 成 尽

27、 可 能 多 的 PN 结 耗 尽 区 ，从 而 能 够 收 集 更 多 的 光 生 载 流 子 。 在 叉 指 型 双 光 电 二 极 管 中 ， 叉 指 P+区域 和 N 阱 构 成 一 个 叉 指 二 极 管 ， 称 为 工 作 二 极 管 ； N 阱 区 域 和 P 衬 底构 成 一 个 二 极 管 ， 叫 做 屏 蔽 二 极 管 。 在 标 准 CMOS 工 艺 中 ， 不 需 要 做 任何 修 改 就 可 以 实 现 该 光 电 探 测 器 。 当 双 光 电 探 测 器 工 作 时 ， N 阱 接 到 接 收机 接 收 的 电 源 电 压 ， P+区 域 和 接 收 机 的 输

28、入 端 连 接 ， 而 P 衬 底 和 接 收 机的 “地 ”连 接 。 由 于 屏 蔽 二 极 管 的 两 个 电 极 与 接 收 机 的 电 源 电 压 和 地 连 接 ，所 以 产 生 在 P 衬 底 的 扩 散 载 流 子 流 进 了 接 收 机 的 电 源 ， 没 有 对 光 接 收 机 的输 入 光 电 流 产 生 贡 献 。 而 由 P+和 N 阱 构 成 的 二 极 管 的 本 身 响 应 速 度 比 较高 ， 它 产 生 的 光 电 流 输 入 光 接 收 机 ， 形 成 光 响 应 。 由 于 P+区 域 使 用 叉 指 形状 ， 能 够 增 加 耗 尽 区 的 面 积 ，

29、 提 高 工 作 二 极 管 的 响 应 度 8。4、 空 间 调 制 光 电 探 测 器由 于 CMOS 工 艺 衬 底 深 处 的 慢 载 流 子 的 影 响 ， 光 电 探 测 器 的 响 应 速 度不 能 提 高 ， 为 了 提 高 光 电 探 测 器 的 响 应 速 度 ， 必 须 抑 制 或 去 除 衬 底 深 处 的 慢载 流 子 。 在 标 准 CMOS 工 艺 下 ， 空 间 调 制 光 电 探 测 器 便 使 用 了 这 种 原 理 从而 提 高 了 探 测 器 的 工 作 速 度 。 空 间 调 制 光 电 探 测 器 由 一 个 受 光 光 电 探 测 器 和一 个 非

30、 受 光 光 电 探 测 器 组 成 ， 由 于 衬 底 产 生 的 低 速 载 流 子 被 探 测 器 通 过 光 电流 之 差 消 除 ， 所 以 空 间 调 制 探 测 器 的 工 作 速 度 得 到 了 明 显 的 提 高 9， 10。 其结 构 如 图 2-3 所 示 ， 空 间 调 制 光 电 探 测 器 的 结 构 能 够 兼 容 与 商 用 CMOS 工 艺 。10图 2-3 空间调制探测器结构图空 间 调 制 光 电 探 测 器 包 括 一 个 收 集 快 载 流 子 和 慢 载 流 子 的 受 光 探 测 器（ immediate detector） 和 一 个 只 收 集

31、 慢 载 流 子 的 非 受 光 探 测 器（ deferreddetector） 。 非 受 光 探 测 器 通 过 覆 盖 金 属 2（ 选 择 金 属 2 一 直 到金 属 5 更 佳 ） 使 入 射 光 屏 蔽 。 当 入 射 光 照 射 到 探 测 器 时 ， 被 金 属 覆 盖 的 探测 器 不 能 接 受 光 照 ， 只 产 生 扩 散 光 生 载 流 子 ， 即 慢 载 流 子 。 受 光 探 测 器 吸 收光 照 ， 同 时 产 生 快 光 生 载 流 子 和 慢 光 生 载 流 子 ， 即 载 流 子 的 分 布 被 空 间 调 制探 测 器 表 面 的 金 属 调 制 了

32、 。 如 果 我 们 将 受 光 探 测 器 产 生 的 光 电 流 和 非 受 光 探测 器 产 生 的 光 电 流 相 减 ， 那 么 就 能 消 除 扩 散 成 分 所 导 致 的 影 响 ， 去 除 因 扩 散成 分 产 生 的 光 电 流 的 托 尾 而 提 高 了 整 体 的 响 应 速 度 。 但 这 样 相 减 的 前 提 是 载流 子 的 调 制 实 际 要 远 远 小 于 载 流 子 的 消 失 时 间 ， 也 就 是 说 只 有 在 光 照 入 射 的很 短 的 一 段 时 间 内 载 流 子 分 布 才 是 被 调 制 的 ， 其 他 的 时 间 载 流 子 在 这 两

33、 个 区域 是 分 布 均 匀 的 。 分 析 表 明 ， 衬 底 掺 杂 浓 度 越 小 ， 叉 指 周 期 长 度 越 小 ， 空 间调 制 光 电 探 测 器 的 带 宽 越 宽 。 空 间 调 制 光 电 探 测 器 具 有 两 个 缺 点 ： 一 、 通 过差 分 相 减 的 方 式 消 除 了 来 自 衬 底 的 慢 载 流 子 ， 虽 然 提 高 了 探 测 器 的 速 度 ， 但对 于 N 阱 /P 衬 底 光 电 二 极 管 来 说 ， 也 损 失 了 非 常 大 的 响 应 度 ； 二 、 在 空 间调 制 光 电 探 测 器 中 ， 非 受 光 探 测 器 和 受 光 探 测 器 的 面 积 相 等 ， 所 以 只 有 一 半探 测 器 的 面 积 用 来 产 生 快 载 流 子 ， 几 乎 损 失 了 一 半 的 响 应 度 11。2.2 常 见 的 标 准 CMOS 光 电 探 测 器常见的光电探测器均是基于 PN 结来构造的，其原理是利用 N 型半导体区域和 P 型半导体区域形成的 PN 结耗尽区（即光电二极管）来进行光信号探测。1、N+/PWELL 光电探测器常见的标准 CMOS 光电探测器如图 2-4 所示的 N+/PWELL 光电探测器，