1、第3章 光接收器件及集成技術3.3 基于IIIV族半導體材料的光電探測器半導體光電探測器是利用內光電效應進行光電探測的，通過吸收光子產生電子-空穴對從而在外電路產生光電流。其過程可以分為三步：光子吸收產生電子-空穴對，在適當內電場作用下載流子的漂移，歐姆接觸收集載流子。半導體光電探測器有以下優點：結構緊湊、低工作電壓、寬頻譜范圍、高量子效率、器件穩定性好、工作溫度范圍寬、可批量生產、成本低等。正是由于這些優點使半導體光電探測器得到了廣泛應用，從可見光波段到紅外波段，從光纖通信到光學測距，從激光制導到光電成像，半導體光電探測器都顯示了其優異的性能。和激光器不同，眾多半導體材料都可用來制造光電探測

2、器。只要入射光波長在半導體材料的光譜吸收范圍，即使是硅鍺這樣的間接帶隙材料也可用來制造光電探測器。這些材料包括：IV族單晶Si，Ge；IIIV族二元及多元組分化合物GaAs，InP，InSb，GaAlAs，InGaAs，InGaP，InGaAsP等。對于硅這樣間接帶隙材料其光譜吸收曲線不像GaAs那樣具有陡峭吸收邊，其吸收系數也相應小許多，其波長吸收極限為1.1m。在小于這一波長范圍內，硅是廣泛使用的光電探測器材料。由于其電子與空穴離化率之比很高，用它制成的雪崩二極管的噪聲很小，從而使得帶寬增益很大。鍺的光譜吸收范圍最寬，覆蓋了可見光波段到光通信波段。因此鍺可用來制造長波長1.3 m和1.55

3、 m波段光纖通信探測器。鍺光電探測器遇到主要問題是其暗電流較大，從而導致了靈敏度、光譜響應及溫度穩定性等一系列問題而限制了它的應用。現在光通信波段廣泛使用的光電探測器材料是InGaAs和InGaAsP，這些III-V族組分化合物可以通過調整各組分的含量以改變禁帶寬度，從而使其光譜吸收曲線拓展到光通信波段。根據光電探測器結構的不同，光電探測器可以分為4種：即pn結光電探測器、PIN光電探測器、APD雪崩光電二極管及金屬半導體金屬MSM光電探測器。其中pn結光電探測器是結構最簡單的一種探測器，其結構為一個普通的pn結，光生載流子在電場作用下漂移到pn結兩邊。由于普通pn結耗盡區太窄，光生載流子含有

4、擴散成分，嚴重影響了器件工作速度。因此人們在pn結中間加了一層本征層以增加耗盡層寬度，這樣就使得光生載流子在強電場作用下漂移到pn結，避免了載流子擴散成分對光電探測器的影響，極大地提高了工作速度。APD結構最復雜，具有內部增益功能，因此其響應度和信噪比S/N都比較高。MSM結構簡單，制造工藝和微電子工藝兼容，便于和場效應管電子器件集成實現OEIC光電子集成回路。 PIN型光電探測器1.PIN基本結構 圖3-9 PIN光電探測器基本結構如圖3-9（a）所示為PIN光電探測器基本結構，N型襯底上生長一層低摻雜本征層，在淀積的SiO2上開窗形成P型注入區。分別在N型襯底和表面做歐姆接觸，其中表面的歐

5、姆接觸需要開窗以便于光線入射。為了減少入射表面的反射以提高器件外量子效率，需要在表面涂一層抗反射膜。在這種結構中P型注入區要比本征區薄得多，這樣就能使大部分入射光在本征區被吸收，既提高了量子效率又提高了速度。圖3-9（b）為端面入射結構，P型和N型接觸分別做在襯底上下表面而將入射光改為在端面入射。這種結構消除了表面入射結構產生的P型區域的吸收，減小了入射光的損耗。此外它將光的入射方向和載流子的運動方向分開，因此我們可以把本征區做得很長以便于入射光的吸收從而提高量子效率的同時不影響載流子的漂移時間。這樣既提高了響應度又提高了工作速度。此外，我們還可以在另一個端面涂一層反射膜進一步促進光的反射吸收

6、。通過優化兩個端面的反射率形成共振諧振腔增強型RCE結構可以有效地提高入射光的吸收。2.異質結PIN圖3-10（a）是一個典型的異質結PIN13，P型和N型區域均為InP，本征層In1-xGaxAs生長在N型InP襯底上。當X=0.47時InGaAs和InP之間晶格匹配，并且窄的禁帶寬度能使光譜響應達到1.65 m。由于InP的禁帶較寬（1.34 eV），根據式（35）可知它的本征吸收截止波長為0.92 m。因此對于波長大于0.92 m的入射光InP呈透明狀態，如圖3-10（b）所示。通過消除表面pInP的吸收增加了入射光在本征區的吸收，有效地提高了響應度。表面吸收的消除還使得在0.92 m和

7、1.65 m范圍內波長響應曲線變得平坦。這是因為吸收系數隨入射光波長減小而增大，相應的吸收長度隨入射光波長減小而減小。在沒有消除表面吸收的情況下，對于短波長的入射光有很大一部分在表面被吸收，對于表面吸收產生的載流子會由于表面態等原因很快被復合掉。由于這部分載流子未漂移到pn結就被復合掉，因此對光電流沒有貢獻，這樣就使得短波長光的響應度偏低，造成光譜吸收曲線不平坦。需要注意的是只有當本征區寬度足夠大（比吸收長度大得多）時，光譜吸收曲線才會平坦。當本征區較窄時，響應度還是會隨波長的增加而下降，即光譜吸收曲線不再平坦。此外，這種結構由于光吸收發生在本征耗盡層中，不含有本征區外的載流子擴散，因此極大地

8、提高了速度。圖3-10 InGaAs/lnP異質結PIN APD光電探測器雖然PIN結構通過擴展空間電荷區有效地提高了工作速度和量子效率，但是它無法將光生載流子放大，因此信噪比和靈敏度還不夠理想。為了能探測到微弱的入射光，我們希望光電探測器具有內部增益，即少量的光生載流子在倍增電場作用下能產生較大的光生電流。雪崩光電二極管就是這樣一種光電探測器，它是一種具有內部增益、能將探測到的光電流進行放大的有源器件。APD的工作原理為雪崩電離效應，即在np結附近有一高電場，光生電子和空穴在該區中被加速，獲得很高的能量。如果載流子能量足夠大則它將會去碰撞晶格原子，使束縛的電子電離，從而在導帶和價帶產生一對電

9、子空穴對。因碰撞產生的載流子也會被加速并繼續去碰撞其他晶格原子，進一步產生電子空穴對，如圖3-16所示。內置前放大電路型APD應用：激光測距，醫學檢測，激光雷達等 圖3-16 APD雪崩電離示意圖 常用的APD為拉通型APD，如圖3-17所示，它在PIN的吸收區i層和n層之間插入了一薄層P型層，形成npIp+結構，這一新加入的P型層是一雪崩區。所謂拉通指的是在較大的外加偏壓下耗盡區從np結拉通到p表面，使整個低摻雜的冗區都為空間電荷區。其工作原理如下：首先入射光在寬的耗盡區被吸收，產生的光生載流子在外電場作用下被分開各自朝正、負兩極運動。對于圖3-17所示結構，空穴被外電場掃向p區，電子則在外

10、電場作用下朝np結運動，在np區強電場作用下發生雪崩倍增。圖3-17 拉通型APD這種拉通型APD具有穩定的倍增系數，消除了APD的倍增系數隨偏壓改變而改變的特性。之所以倍增系數的大小依賴于外加偏壓值，是因為以下兩個原因： （1）電子和空穴兩種載流子同時倍增引起了正反饋效應； （2）載流子離化率隨電場的增大而指數增加。在圖3-17拉通結構中只有電子參與了雪崩倍增過程，空穴只在耗盡區電場作用下向p區漂移，并不參與雪崩電離。因此消除了兩種載流子倍增引起的正反饋效應。此外，拉通型APD具有很寬的耗盡區，I區比倍增區寬得多，外加電壓的變化部分加在了耗盡區從而保持倍增區電場的相對穩定。拉通型APD還具有

11、高速、高響應度等特點，在PIN中雖然在I區中載流子能以較大漂移速度運動，但在離本征區邊界一個擴散長度內的載流子仍然需要經過緩慢的擴散才能到達耗盡區，這一部分載流子的擴散時間就影響了PIN的工作速度。而在APD中所有的光吸收都發生在寬的耗盡區中，避免了載流子的擴散，既提高了工作速度，又使得入射光被充分吸收，從而提高了響應度。 MSM光電探測器MSM是一種平面結構，結構簡單，易于和場效應管單片集成實現OEIC光電子集成回路。如圖3-21所示。未摻雜的GaAs外延生長在半絕緣襯底上，接著在GaAs表面淀積金屬形成肖特基二極管結構，相互錯開的電極各自加正負電壓使電極間的GaAs耗盡，入射光在這個耗盡區

12、被吸收并在電場作用下向正負電極漂移形成光電流。通過優化金屬電極數目和間距可以在適當的偏壓下使金屬電極間完全耗盡，從而既提高速度又提高響應度。這種結構還具有以下優點：結構簡單易于制作且成品率高；寄生電容低，工作速度可以達到很高。圖3-21 MSM光電探測器3.3.4 GaN光電探測器GaAs基可見光電探測器及InGaAs/lnGaAsP基長波長光電探測器不同，GaN基紫外光電探測器的光響應波長是200360 nm的紫外波段。紫外探測技術可用于宇宙飛船、紫外天文學、導彈尾焰探測、環境污染監視、火箭羽煙探測、火災監測等領域中。目前常用的紫外光電探測器主要有紫外光電倍增管及Si基紫外光電二極管。光電倍

13、增管是真空器件，能探測單光子，具有高靈敏度、快響應速度、低噪聲等優點。但它體積龐大需要在高電壓下工作，易損壞且成本高，不利于推廣使用。Si基紫外光電二極管需要額外昂貴的濾光片，而紫外光電探測器大多工作在惡劣的條件下需要耐高溫，且其他一些應用領域，像空氣質量監視、氣體敏感元件及紫外光劑量測量，都要利用寬禁帶光電探測器來完成。這樣人們迫切需要一種性能優異的寬禁帶材料以應用于這些領域。GaN為寬直接帶隙半導體材料（室溫禁帶寬度約3.4eV），其物理、化學性質穩定，具有高的擊穿場強，高的熱導率。GaN基三無合金AlxGa1-xN，隨著Al組分的變化帶隙在3.46.2eV之間連續變化，帶隙變化對應的波長

14、范圍為200365nm，覆蓋了大氣臭氧層吸收光譜區（230280nm），是制作太陽盲區紫外光電探測器的理想材料之一。因此，世界各國把GaN紫外探測技術列為研究開發的重點課題。 圖3-23 采用Si襯底利用AIN做緩沖層的光導型探測器Khan等人25在1992年報道了第一支高質量GaN材料光電導探測器，它以藍寶石為襯底通過金屬有機化學氣相淀積（MOCVD）方法生長而成。光響應波長為200365 nm，在365nm處最高增益達6×103。在5 V的偏壓下響應度最高可達2000 A/W。隨后，由于Si材料成熟的工藝技術且易于集成等優點，人們試圖將GaN材料生長在Si襯底上以利于和電子器件的

15、集成。Stevens等人26在Si襯底上生長P型GaN薄膜，但光響應度較低，在14V偏壓下最高響應度只有30 A/W。由于Si和GaN之間大的晶格失配（17%）和熱失配（20%），若直接在Si襯底上生長GaN則會由于晶格失配位錯等原因嚴重影響器件性能。為了解決這一問 題，人們使用緩沖層，如圖3-23所示。在Si（111）方向上先用MOCVD方法生長AIN緩沖層，然后在AIN緩沖層上生長GaN，最后用真空淀積的方法淀積金屬制作歐姆接觸。此外，還可以在6H-SiC襯底上生長GaN獲得較高響應度的光電導型探測器。圖3-24 GaN基肖特基結構紫外光電探測器GaN光電導型探測器的最大缺點是光電導的持續

16、性，即光生載流子不會隨入射光的消失而立刻消失，此效應增加了光響應時間降低了探測器工作速率。相比之下，GaN基肖特基結構紫外光電探測器有較好的響應度和更快的響應速度。第一支GaN基肖特基紫外光電探測器于1993年被提出27，它具有如圖3-24（a）所示的結構：它也是在藍寶石襯底上外延生長GaN，通過摻雜Mg實現P型摻雜，最后再淀積電極形成肖特基勢壘和歐姆接觸，圖中Ti/Au為肖特基接觸，Cr/Au為歐姆接觸。零偏壓下光響應是0.13A/W，響應時間大約為1uS，光譜響應也為200365 nm。Chen等人28則改用n-GaN制作了如圖3-24（b）所示的結構，首先在藍寶石稱底上生長AIN緩沖層，

17、接著生長載流子濃度為3×1018cm-3的n+-GaN，然后生長載流子濃度為3×1016cm-3的n-GaN，最后電子束蒸發形成歐姆接觸和肖特基結。此光電探測器在5 V反向偏壓下響應度為18A/W，響應的量子效率超過65%，在負載電阻為50時光響應時間為118 ns。3.4基于硅基雙極工藝的光電探測器目前，長距離通信用的光接收器探測器都是用III-V族化合物材料制作的，其傳輸速率已經超過了40 Gb/s，然而，Ill-V族材料的光接收器和OEIC價格昂貴，對于短距離數據傳輸的應用，例如局域網、光纖入戶和板級光互連等并不適合。隨著信息技術的不斷進步，對于光信息存儲、光數據傳輸

18、等應用，需要有大量低成本的光電集成電路（OEIC）投入使用。利用普通的硅基集成電路生產技術，在對這些工藝幾乎不作改動或者是僅僅作微小調整的基礎上，將光電子器件與電信號處理電路集成在一起，無疑是最為理想的光電集成方式。目前硅基集成電路技術主要可分為雙極bipolar、CMOS及BiCMOS工藝。本節介紹利用雙極工藝實現的硅基光電探測器，下節介紹CMOS和BiCMOS工藝實現的硅基光電探測器。在介紹完標準硅基集成電路工藝實現的光電探測器后，我們通過改變襯底濃度或是對標準工藝進行適當改正，以試圖提高這些光電探測器的性能。1.光電二極管（介紹pn結型；PIN型兩種）圖3-28中給出了一種基于標準雙極工

19、藝的N+-p型光電二極管36，其中的N+區是由N+埋層以及插入的N+集電極注入形成，P區則是直接利用輕摻雜的P型襯底。圖中N+區與P區的間距為5 m，N+區的面積被定義為光電探測器的面積。圖3-28 雙極工藝N+-P型光電二極管這種結構能夠高效地進行光電轉換，在外加偏壓為雙極電路工作電壓（4.2 V）時的量子效率=30%。但是由于受前面敘述的耗盡區外光生載流子緩慢擴散的影響，其響應速度較慢。該探測器與一跨阻抗為1.8 k的雙極型前置放大器單片集成，當探測器面積為100×100m2，入射光波長850 nm時，可以測得開眼圖比特率達到150 Mb/s。當N區的面積減小到10×1

20、0m2時，該光電二極管的瞬態特性將得到顯著改善，入射光波長820nm時，上升時間和下降時間分別為40 ps和400 ps。這種指標的探測器可以實現850 Mb/s的數據傳輸能力。在不對工藝做任何修改的情況下，N埋層集電極可以被用做光電二極管的陰極，N型外延集電區可用做PIN光電二極管中的I層，而基極注入區則可以被用做陽極，如圖3-29所示。這樣就使得在標準的雙極工藝中能夠集成帶有薄本征層的光電二極管3738。圖3-29 基極集電極形成的PIN光電二極管高速雙極工藝中N型外延層厚度大約在1 m左右，這樣小的厚度會使得探測器在黃色到紅外光譜范圍（5801100 nm）內量子效率較低。而光脈沖信號引

21、起的光生電流的上升時間和下降時間同樣會由于薄外延層的原因變得非常短，從而有利于改善響應速度。這種光電二極管的數據傳輸能力可達到10 Gb/s，但是其在肛850 nm下的響應度僅有R48 mA/W37。780850 nm波長范圍在最長幾千米的短程光數據傳輸中被廣泛應用，在此波長范圍下較低的響應度是標準雙極工藝0EIC的主要缺陷。另有一種類似結構采用0.8 m硅雙極工藝制作的光電集成電路在入射光850 nm時，速率達到5 Gb/s，但響應度只有R45 mA/W38。總的來說，這些單片集成的硅0EIC可以達到的工作速率已經超過了采用族化合物光電探測器與硅基放大電路混合集成的方式，這充分顯示了光電探測

22、器單片集成的優越性。2.光電晶體管基區集電區pn結面積被擴大了的NPN晶體管顯然可以被用做光電晶體管，結構如圖3-30所示40。圖3-30 一種基于SBC工藝的光電晶體管簡單地說，雙極工藝制作的光電晶體管利用基區集電區pn結作為一個光吸收的耗盡層，并且將其光生電流放大。在標準埋層集電極（SBC）雙極工藝中光電二極管的P區和NPN晶體管的P型基區是同一個P型區，而光電二極管的陰極和NPN晶體管的集電極都是由同一個N注入區構成，基極接觸可以被省略。在基區集電區pn結空間電荷區產生的電子空穴對被加在結上的電場分開。在空間電荷區電場的作用下，空穴向基區漂移，而電子向集電區漂移。在基區積累的空穴使得基區

23、處于高電勢，基極發射極勢壘降低，發射區向基區擴散電子，并且在電場作用下，向集電極漂移。這個過程與晶體管的電流放大機理相似。因此，光電二極管所產生的光生電流Ipd被NPN型晶體管放大了倍（為晶體管的電流增益）。3.紫外（UV）光探測器硅基光電二極管在紫外光譜范圍內一般來說量子效率偏低，然而，從成本、速度及信噪比等角度考慮，迫切需要將探測器和電子電路在硅基工藝下單片集成。目前已采用雙極工藝實現了如圖3-31所示結構的集成UV傳感器41。淺P+和N注入區形成的耗盡區非常接近芯片表面，注入光子在這個區域里被吸收并產生光生載流子。這種P+-N型UV敏感光電二極管制作在NPN晶體管的島型基區內，該區由AIR電極接出。由基區和附加的N區形成的二極管是用來削減透射更深的綠色、紅色及紅外等成分的光對光生電流的影響。陽極電流被用做紫外光產生的信號電流，而長波長光產生的流向陰極和AIR極的光生電流并不會對整個傳感系統造成影響。圖3-31