1、第十七章第十七章 集成光探測(cè)器 教教 師：劉永師：劉永E-mail: YongL集成光探測(cè)器 用于集成光路中的探測(cè)器必須具有 靈敏度高 響應(yīng)時(shí)間短 量子效率大 以及功率消耗小的特點(diǎn)。 本章將討論一些具有這些特點(diǎn)的不同探測(cè)器結(jié)構(gòu) 。 17.1耗盡層光電二極管 17.2特殊光電二極管結(jié)構(gòu) 17.3改進(jìn)光譜響應(yīng)的方法 17.4限制集成光電探測(cè)器性能的因素 本章學(xué)習(xí)各種探測(cè)器的工作原理，重點(diǎn)掌握耗盡層光電探測(cè)器的工作原理17.1耗盡層光電二極管 集成光路和分立組件中最常用的半導(dǎo)體光探測(cè)器是耗盡層光電二極管。耗盡層光電二極管實(shí)質(zhì)上是一個(gè)反向偏置的半導(dǎo)體二極管，它的反向電流受耗盡層內(nèi)或耗盡層附近因吸收光子

2、而產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)的調(diào)制。這種二極管一般是以所謂的光電二極管模式,工作須施加相當(dāng)大的偏壓 17.1.1常規(guī)分立光電二極管 最簡(jiǎn)單的耗盡層光電二極管是p-n結(jié)二極管。這種器件在反向偏壓Va作用下的能帶圖如圖17.1所示。耗盡層光電二極管的總電流由兩部分組成：一部分是漂移電流，由區(qū)域（b）中所產(chǎn)生的載流子引起；另一部分是擴(kuò)散電流，在區(qū)域（a）和（c）中產(chǎn)生。 Fig.17.1 p-n結(jié)二極管在反偏壓Va作用下的能帶圖 區(qū)域（b）中產(chǎn)生的空穴和電子被反偏壓電場(chǎng)分開(kāi)，空穴被掃向p區(qū)（c），電子被掃向n區(qū)（a）。n區(qū)產(chǎn)生的空穴或p區(qū)產(chǎn)生的電子有一定的概率擴(kuò)散到耗盡層（b）邊緣，然后被電場(chǎng)掃過(guò)耗盡層。區(qū)

3、域（a）中的電子或區(qū)域（c）中的空穴是多數(shù)載流子，它們由于反向偏壓的作用各自處在原來(lái)的區(qū)域，不會(huì)被掃過(guò)耗盡層。 為了減小實(shí)際光電二極管的串聯(lián)電阻而仍保持最大耗盡層寬度，通常使一個(gè)區(qū)域的摻雜比另一個(gè)區(qū)域重得多。這樣，耗盡層幾乎全部形成在結(jié)的摻雜較輕的一邊，如圖17.2所示，這種器件稱為高-低突變結(jié)器件。 Fig.17.2 p+-n（高-低）結(jié)二極管在反偏壓Va作用下的能帶圖 在GaAs及其三元和四元合金中，電子遷移率一般比空穴遷移率大得多，因此常把p區(qū)做得比n區(qū)薄，且摻雜也比n區(qū)重得多。這樣，器件大部分都處于n型材料中，而p區(qū)實(shí)質(zhì)上只作為一個(gè)接觸層。 對(duì)于圖17.2所示的高-低結(jié)形式的器件，其總

4、電流密度Jtot可由下式給出 ppnpWtotLDqpLeqJ00)1 (1 (17.1)式中， 0是總光子通量，單位是光子數(shù)/（cm2s），W是耗盡層寬度，q是電子電荷值，是帶間光吸收系數(shù)，Lp是空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度，Dp是空穴擴(kuò)散系數(shù)，Pn0是平衡空穴濃度。式(17.1)中最后一項(xiàng)表示反向漏電流（或稱暗電流），它由n型材料中的熱生空穴引起，這就解釋了為什么這一項(xiàng)不正比于光子通量0 。 式(17.1)的第一項(xiàng)表示光電流，它與0成正比，包含兩部分電流：一部分是耗盡層內(nèi)產(chǎn)生的載流子的漂移電流；另一部分是耗盡層邊緣擴(kuò)散長(zhǎng)度Lp范圍內(nèi)產(chǎn)生的空穴的擴(kuò)散和漂移電流。 探測(cè)器的量子效率q，或者說(shuō)，每個(gè)入射光子產(chǎn)生

5、的載流子數(shù)，由下式給出： (17.2)q可取0到1之間的任何值。！：式(17.1)和式(17.2)已作了散射損耗和自由載流子吸收小到可忽略不計(jì)的假設(shè)。 pWqLe11由式(17.2)可見(jiàn)，為了使q達(dá)到最大，須使W和Lp兩個(gè)乘積盡可能大。當(dāng)W和Lp足夠大以致于q近似等于1時(shí)，由于暗電流一般小到可忽略，二極管電流就基本正比于0 。 如果帶間吸收系數(shù)與W和Lp相比太小，許多入射光子將完全通過(guò)二極管的有源層進(jìn)入襯底，如圖17.3所示。只有在寬度為W的耗盡層內(nèi)吸收的光子能以最大的效率產(chǎn)生載流子。從耗盡層邊緣到擴(kuò)散長(zhǎng)度Lp的深度范圍內(nèi)吸收的光子對(duì)產(chǎn)生光生載流子也有些影響，在這區(qū)域內(nèi)的空穴可擴(kuò)散到耗盡層。

6、在被吸收之前穿透深度大于(W+Lp)的光子基本上無(wú)光生過(guò)程，因?yàn)橐@些光子產(chǎn)生達(dá)到耗盡層并掃過(guò)耗盡層的空穴，其統(tǒng)計(jì)概率是非常低的。在半導(dǎo)體內(nèi)部，光子通量(x)隨著距離表面的深度x的增加而指數(shù)下降，如圖17.4所示。因此，若不夠大，許多光子在吸收之前穿透太深，所產(chǎn)生的載流子（平均來(lái)說(shuō)）在擴(kuò)散到達(dá)耗盡層之前就已經(jīng)復(fù)合了。 Fig.17.3常規(guī)臺(tái)面結(jié)構(gòu)p+-n結(jié)光電二極管的光子深入情況圖 Fig.17.4 常規(guī)臺(tái)面光電二極管光吸收與距離表面深度的關(guān)系 半導(dǎo)體的帶間吸收是波長(zhǎng)的強(qiáng)函數(shù)。不可能設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)所有波長(zhǎng)都理想的二極管的耗盡層寬度W。 耗盡層光電二極管的性能，除了、W和Lp很難匹配好，引起量子效率

7、降低外，還受到其他一些限制，這些限制也是很重要的。因?yàn)閃一般相當(dāng)小（在0.11.0 m范圍），結(jié)電容通過(guò)熟知的RC時(shí)間常數(shù)限制高頻響應(yīng)。而且，載流子在W和(W+Lp)之間擴(kuò)散需要時(shí)間，這將限制常規(guī)光電二極管的高頻響應(yīng)。下一節(jié)將討論波導(dǎo)耗盡層光電二極管，它能有效地減輕常規(guī)光電二極管的許多這些問(wèn)題。17.1.2波導(dǎo)光電二極管 若把基本的耗盡層光電二極管與波導(dǎo)結(jié)合起來(lái)，如圖17.5所示，則可得到多方面性能的改進(jìn)。此時(shí)光從橫向入射到探測(cè)器的有源區(qū)，而不是垂直射入結(jié)平面。二極管光電流密度可用下式表示：)1 (0LeqJ(17.3)Fig.17.5波導(dǎo)探測(cè)器示意圖 式中，L是光傳輸方向探測(cè)器的長(zhǎng)度。因?yàn)閃

8、和L是兩個(gè)獨(dú)立參量，可以選擇探測(cè)器體內(nèi)載流子濃度和偏壓V，使耗盡層厚度W等于波導(dǎo)厚度，而L應(yīng)足夠長(zhǎng)以滿足使L1。只要調(diào)節(jié)長(zhǎng)度L，對(duì)任何值能得到100%的量子效率。例如：若材料的吸收系數(shù)相當(dāng)小，30 cm-1，只要取長(zhǎng)度L3 mm，可得量子效率q0.99988。當(dāng)然，式(17.3)中再次假定散射損耗和自由載流子吸收可忽略。 因?yàn)椴▽?dǎo)探測(cè)器可制作在很狹窄的通道波導(dǎo)中，即使L相對(duì)較大，電容也很小。這個(gè)電容值約為典型的常規(guī)臺(tái)面光電二極管電容的1/10。因此，高頻響應(yīng)可以得到很大改進(jìn)。 因?yàn)樵诓▽?dǎo)光電探測(cè)器中所有入射光子都直接在耗盡層內(nèi)吸收，不僅使q增大，而且可以消除載流子擴(kuò)散所引起的時(shí)間延遲。這個(gè)結(jié)果

9、可進(jìn)一步改善高頻響應(yīng)。 與軸向結(jié)構(gòu)常規(guī)臺(tái)面光電二極管相比，橫向結(jié)構(gòu)波導(dǎo)探測(cè)器具有許多性能優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于分立組件及光集成回路中。 17.2 特殊光電二極管結(jié)構(gòu) 有兩種很有用的光電二極管結(jié)構(gòu)，既可做成波導(dǎo)形式，又可做成常規(guī)非波導(dǎo)形式: 肖特基（Schottky）勢(shì)壘光電二極管 PIN光電二極管 雪崩光電二極管17.2.1肖特基勢(shì)壘光電二極管 肖特基勢(shì)壘光電二極管也是一個(gè)簡(jiǎn)單的耗盡層光電二極管，其中，金屬-半導(dǎo)體整流（阻塞）接觸代替了p-n結(jié)。例如：圖17.3和圖17.5所示的器件中的p型層被金屬所代替，形成對(duì)半導(dǎo)體的整流接觸，就構(gòu)成了肖特基勢(shì)壘光電二極管。光電流仍由式(17.1)和式(17.3)給

10、出，器件實(shí)質(zhì)上與p+-n結(jié)類似器件的特性相同。 圖17.6表示肖特基勢(shì)壘光電二極管在零偏壓和反偏壓作用下的能帶圖。由圖可見(jiàn)，耗盡層延伸進(jìn)入n型材料，正如p+-n結(jié)的情形。勢(shì)壘高度 B取決于用什么金屬-半導(dǎo)體材料組合。 B的典型值約為1 V。 Fig.17.6 肖特基勢(shì)壘二極管能帶圖：（a）零偏壓（b）反偏壓Va 常規(guī)臺(tái)面器件常用薄的、光學(xué)上透明的肖特基勢(shì)壘接觸（而不用p+-n結(jié)），以消除發(fā)生在p+層的高能光子的強(qiáng)烈吸收，增強(qiáng)短波響應(yīng)，但波導(dǎo)光電二極管則不需要用肖特基勢(shì)壘接觸來(lái)改善短波響應(yīng)，這是因?yàn)楣庾邮菣M向進(jìn)入有源區(qū)的。 然而，因?yàn)樾ぬ鼗鶆?shì)壘光電二極管易于制作，為集成應(yīng)用的最佳選擇。例如：幾乎

11、任一種金屬（除了銀）在室溫下蒸鍍到GaAs或GaAlAs上，都會(huì)產(chǎn)生有整流效應(yīng)的肖特基勢(shì)壘。常用的是金、鋁或鉑。透明導(dǎo)電氧化物如銦錫氧化物（ITO）和鎘錫氧化物（CTO）也也能夠用來(lái)消除接觸（面）層層的光子掩模效應(yīng)，從而提高量子效率，詳細(xì)介紹見(jiàn)17.2.4節(jié)。蒸鍍時(shí)用光刻膠掩模來(lái)限定橫向尺寸，而不像擴(kuò)散淺p+層那樣須小心控制時(shí)間和溫度。 PIN光電二極管 由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收， 因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體(稱為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。 PIN光電二極管的工作原理和結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.2

12、0和圖3.21。中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體，用(N)表示；兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，用P+和N+表示。I層很厚， 吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子 - 空穴對(duì)，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。兩側(cè)P+層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個(gè)耗盡層，因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速度。另外，可通過(guò)控制耗盡層的寬度w，來(lái)改變器件的響應(yīng)速度。 圖3. 21 PIN光電二極管結(jié)構(gòu)抗反射膜光電極(n)PNE電極 PIN光電二極管具有如下主要特性： (1) 量子效率和光譜特性。 光電轉(zhuǎn)換效率用量子效率或響應(yīng)度表示。量

13、子效率的定義為一次光生電子 -空穴對(duì)和入射光子數(shù)的比值 響應(yīng)度的定義為一次光生電流IP和入射光功率P0的比值 式中， hf為光子能量， e為電子電荷。 量子效率和響應(yīng)度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)。)13. 3(00ehfPIhfPeIPP入射光子數(shù)空穴對(duì)光生電子)14. 3()(0WAhfePIP假設(shè)器件表面反射率為零，P層和N層對(duì)量子效率的貢獻(xiàn)可以忽略，在工作電壓下，I層全部耗盡，那么PIN光電二極管的量子效率可以近似表示為式中，()和w分別為I層的吸收系數(shù)和厚度。由式(3.15)可以看到，當(dāng)()w 1時(shí)，1，所以為提高量子效率， I層的厚度w要足夠大。量子效率的光譜特性取決于半導(dǎo)體材料的

14、吸收光譜()，對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)的限制由式c=hc/Eg確定。)15. 3()(exp1w圖3-22 PIN光電二極管響應(yīng)度、量子效應(yīng)率與波長(zhǎng)的關(guān)系1030507090GeInGaAs0.70.91.11.31.51.700.20.40.60.81.0m (W1)Si圖3.22示出量子效率和響應(yīng)度的光譜特性，由圖可見(jiàn)，Si適用于0.80.9m波段，Ge和InGaAs適用于1.31.6 m波段。響 應(yīng) 度 一 般 為0.50.6 (A/W)。 (2) 響應(yīng)時(shí)間和頻率特性。 光電二極管對(duì)高速調(diào)制光信號(hào)的響應(yīng)能力用脈沖響應(yīng)時(shí)間或截止頻率fc(帶寬B)表示。對(duì)于數(shù)字脈沖調(diào)制信號(hào)，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的1

15、0%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的時(shí)間，分別定義為脈沖上升時(shí)間r和脈沖下降時(shí)間f。當(dāng)光電二極管具有單一時(shí)間常數(shù)0時(shí)，其脈沖前沿和脈沖后沿相同，且接近指數(shù)函數(shù)exp(t/0)和exp(-t/0)，由此得到脈沖響應(yīng)時(shí)間 =r=f=2.20 (3.16) 對(duì)于幅度一定，頻率為=2f的正弦調(diào)制信號(hào)，用光生電流I()下降3dB的頻率定義為截止頻率fc。當(dāng)光電二極管具有單一時(shí)間常數(shù)0時(shí)， (3.17)35. 0210rcf PIN光電二極管響應(yīng)時(shí)間或頻率特性主要由光生載流子在耗盡層的渡越時(shí)間d和包括光電二極管在內(nèi)的檢測(cè)電路RC常數(shù)所確定。當(dāng)調(diào)制頻率與渡越時(shí)間d的倒數(shù)可以相比時(shí)，耗盡層(I層)對(duì)

16、量子效率()的貢獻(xiàn)可以表示為()= (3.18)由()/(0)= 得到由渡越時(shí)間d限制的截止頻率2/)2/sin()0(dd21fc= （3.19）wvs42. 042. 00式中，渡越時(shí)間d=w/vs，w為耗盡層寬度，vs為載流子渡越速度， 比例于電場(chǎng)強(qiáng)度。由式(3.15)、（3.18）和式(3.19)可以看出， 減小耗盡層寬度w，可以減小渡越時(shí)間d，從而提高截止頻率fc，但是同時(shí)要降低量子效率。10100100010000100060020010060 40 20 1064200.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.06 mSi-PIN0.950.900.850.8

17、00.6328帶寬 / MHz內(nèi)量子效率耗盡區(qū)寬度 / m400圖3.23 內(nèi)量子效率、耗盡層寬度和帶寬的關(guān)系由電路RC時(shí)間常數(shù)限制的截止頻率)20. 3(21dtccRf式中，Rt為光電二極管的串聯(lián)電阻和負(fù)載電阻的總和，Cd為結(jié)電容Cj和管殼分布電容的總和。 )21. 3(WAcj式中，為材料介電常數(shù)，A為結(jié)面積，w為耗盡層寬度。 (3) 噪聲。 光電二極管的噪聲包括由信號(hào)電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲(Shot Noise)和由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。噪聲通常用均方噪聲電流(在1負(fù)載上消耗的噪聲功率)來(lái)描述。 均方散粒噪聲電流 i2sh=2e(IP+Id)B （3.22） 式

18、中，e為電子電荷，B為放大器帶寬，IP和Id分別為信號(hào)電流和暗電流。 式(3.21)第一項(xiàng)2eIPB稱為量子噪聲，是由于入射光子和所形成的電子 - 空穴對(duì)都具有離散性和隨機(jī)性而產(chǎn)生的。只要有光信號(hào)輸入就有量子噪聲。這是一種不可克服的本征噪聲， 它決定光接收機(jī)靈敏度的極限。 式(3.22)第二項(xiàng)2eIdB是暗電流產(chǎn)生的噪聲。 暗電流是器件在反偏壓條件下，沒(méi)有入射光時(shí)產(chǎn)生的反向直流電流，它包括晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴(kuò)散形成的本征暗電流。暗電流與光電二極管的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，例如Si-PIN， Id100nA。均方熱噪聲電流 式中，k=1.3810-23J/K為波爾茲曼常數(shù)，T為等效

19、噪聲溫度，R為等效電阻，是負(fù)載電阻和放大器輸入電阻并聯(lián)的結(jié)果。 因此， 光電二極管的總均方噪聲電流為i2=2e(IP+Id)B+ RKTB4RKTB4i2T= (3.23） 3.2.3雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD) 反向偏壓U光電流暗電流輸出光電流I00UB光電二極管輸出電流I和反偏壓U的關(guān)系示于圖3.24。 隨著反向偏壓的增加，開(kāi)始光電流基本保持不變。當(dāng)反向偏壓增加到一定數(shù)值時(shí)，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個(gè)電壓稱為擊 穿 電 壓 UB。APD就是根據(jù)這種特性設(shè)計(jì)的器件。 圖 3.24 光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關(guān)系 根據(jù)光電效應(yīng)，當(dāng)光入射到PN結(jié)時(shí)，光子被吸收而產(chǎn)生電

20、子 - 空穴對(duì)。如果電壓增加到使電場(chǎng)達(dá)到200 kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場(chǎng)區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動(dòng)。高速運(yùn)動(dòng)的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子 - 空穴對(duì)。新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，見(jiàn)圖3.25。所以這種器件就稱為雪崩光電二極管(APD)。 I0NPP(N)光 圖圖 3.25 APD載流子雪崩式倍增示意圖載流子雪崩式倍增示意圖 APD的結(jié)構(gòu)有多種類型，如圖3.26示出的N+PP+結(jié)構(gòu)被稱為拉通型APD。在這種類型的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)偏壓加大到一定值后，耗盡層拉通到(P)層，一直抵達(dá)P+接觸層，是一種全耗盡型結(jié)構(gòu)

21、。拉通型雪崩光電二極管(RAPD)具有光電轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快和附加噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。 電極電極光抗反射膜NPP(P)E圖3.26 APD結(jié)構(gòu)圖1. 倍增因子 由于雪崩倍增效應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過(guò)程，所以用這種效應(yīng)對(duì)一次光生電流產(chǎn)生的平均增益的倍數(shù)來(lái)描述它的放大作用， 并把倍增因子g定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。 PIIg0)(0WAhfePIP響應(yīng)度的定義為一次光生電流IP和入射光功率P0的比值 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，并考慮到器件體電阻的影響，g可以表示為： nBnBURIUUUIg/ )(11)/(100 式中，U為反向偏壓，UB為擊穿電壓，n為與材料特性和入射光波長(zhǎng)有關(guān)的常數(shù)，R為

22、體電阻。當(dāng)UUB時(shí)，RIo/UB1)是雪崩效應(yīng)的隨機(jī)性引起噪聲增加的倍數(shù)，設(shè)F=gx，APD的均方量子噪聲電流應(yīng)為 i2q=2eIPBg2+x (3.26b)式中， x為附加噪聲指數(shù)。 同樣，APD暗電流產(chǎn)生的均方噪聲電流為 i2d=2eIdBg2+x (3.27) 附加噪聲指數(shù)x與器件所用材料和制造工藝有關(guān)， Si-APD x=0.30.5， Ge-APD x=0.81.0， InGaAs-APD x=0.50.7。 當(dāng)式(3.26)和式(3.27)的g=1時(shí)，得到的結(jié)果和PIN相同。 3.2.4光電二極管一般性能和應(yīng)用 表3.3和表3.4列出半導(dǎo)體光電二極管(PIN和APD)的一般性能。

23、APD是有增益的光電二極管，在光接收機(jī)靈敏度要求較高的場(chǎng)合，采用APD有利于延長(zhǎng)系統(tǒng)的傳輸距離。但是采用APD要求有較高的偏置電壓和復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電路，結(jié)果增加了成本。因此在靈敏度要求不高的場(chǎng)合，一般采用PIN-PD。 Si-PIN和APD用于短波長(zhǎng)(0.85m)光纖通信系統(tǒng)。InGaAs PIN用于長(zhǎng)波長(zhǎng)(1.31 m和1.55 m)系統(tǒng)，性能非常穩(wěn)定，通常把它和使用場(chǎng)效應(yīng)管(FET)的前置放大器集成在同一基片上，構(gòu)成FET-PIN接收組件，以進(jìn)一步提高靈敏度，改善器件的性能。這種組件已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。新近研究的InGaAs-APD的特點(diǎn)是響應(yīng)速度快，傳輸速率可達(dá)幾到十幾Gb/s，適用于超高

24、速光纖通信系統(tǒng)。17.3 改進(jìn)光譜響應(yīng)的方法 在前面第14章中關(guān)于設(shè)計(jì)和制備單片激光器/波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所遇到的波長(zhǎng)不兼容的基本問(wèn)題，在波導(dǎo)探測(cè)器中也是很重要的問(wèn)題。理想的波導(dǎo)在所用波長(zhǎng)應(yīng)有最小吸收，而探測(cè)器的作用取決于帶間吸收產(chǎn)生載流子，若把探測(cè)器與波導(dǎo)單片耦合，為增加對(duì)探測(cè)器體內(nèi)通過(guò)波導(dǎo)傳輸?shù)墓庾拥奈眨毑扇∫恍┐胧@方面已證實(shí)有如下多種有效方法 。17.3.1 混合結(jié)構(gòu) 為實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)兼容，最直接的方法之一是采用混合結(jié)構(gòu)，即把帶隙較窄材料制成的探測(cè)器二極管與帶隙較寬材料制成的波導(dǎo)耦合，這兩種材料的選擇原則是，所需探測(cè)波長(zhǎng)的光子在波導(dǎo)中可自由傳輸，但在探測(cè)器中則被強(qiáng)烈吸收。例如：在Si襯底上制作玻

25、璃波導(dǎo)就是一種波導(dǎo)/探測(cè)器混合結(jié)構(gòu)的類型。如圖17.9所示 Fig.17.9 玻璃波導(dǎo)與Si光電二極管耦合的波導(dǎo)/探測(cè)器混合結(jié)構(gòu)在電阻率為5 cm的n型Si襯底上擴(kuò)散硼深約1 m，制成二極管，熱生長(zhǎng)厚1 m的SiO2層，用作擴(kuò)散掩模，然后濺射沉積玻璃波導(dǎo)并蒸鍍銀電極，如圖所示。測(cè)得6328 波長(zhǎng)的光總的波導(dǎo)損耗為0.8 dB/cm 10%。波導(dǎo)和探測(cè)器之間耦合效率為80%。然而，因光垂直結(jié)平面入射而不是平行結(jié)平面入射，這種波導(dǎo)探測(cè)器特殊結(jié)構(gòu)沒(méi)有17.1.2節(jié)所描述的許多優(yōu)點(diǎn)，但預(yù)期高頻響應(yīng)很好。當(dāng)反偏壓Va為10 V時(shí)，這種擴(kuò)散二極管的電容僅為310-9 F/cm2。因此，若探測(cè)器二極管半徑約

26、10 m，與50 負(fù)載電阻連接，其RC時(shí)間常數(shù)約15 ps，能探測(cè)帶寬10 GHz以上的調(diào)制頻率。 雖然，為了獲得最佳吸收特性，混合結(jié)構(gòu)探測(cè)器提供了選擇波導(dǎo)和探測(cè)器材料的可能性，但用單片制作技術(shù)能得到更好的耦合效率。單片制作波導(dǎo)探測(cè)器還有光橫向進(jìn)入結(jié)平面而不是垂直入射進(jìn)入的優(yōu)點(diǎn) 17.3.2異質(zhì)外延生長(zhǎng) 波導(dǎo)和探測(cè)器單片集成最普遍的方法是在構(gòu)成探測(cè)器的區(qū)域用異質(zhì)外延生長(zhǎng)帶隙相對(duì)窄的半導(dǎo)體。這種方法的一個(gè)例子是Stillman et al.22提出的InGaAs探測(cè)器與GaAs波導(dǎo)的集成，如圖17.10所示。在InxGa(1-x)As中，可以通過(guò)改變In原子份數(shù)x來(lái)調(diào)節(jié)帶隙，使對(duì)波長(zhǎng)在0.93.

27、5 m范圍內(nèi)的光產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收（見(jiàn)圖17.11）。 Fig.17.10 InGaAs探測(cè)器與GaAs波導(dǎo)單片集成 圖17.10所示的單片波導(dǎo)探測(cè)器結(jié)構(gòu)將外延生長(zhǎng)的載流子濃度減小型波導(dǎo)與鉑肖特基勢(shì)壘探測(cè)器制作在一起。波導(dǎo)厚520 m，在它上面熱分解沉積厚6000 的SiO2層作掩模，刻蝕直徑125 m的坑以生長(zhǎng)InxGa(1-x)As探測(cè)器材料。在低偏壓下，波長(zhǎng)1.06 m時(shí)測(cè)得這種探測(cè)器的量子效率為60%，波導(dǎo)損耗小于1 dB/cm。當(dāng)偏壓大于40 V時(shí)可以觀察到雪崩倍增效應(yīng)，倍增因子高達(dá)50。 In濃度x0.2，波長(zhǎng)1.06 m時(shí)可得到最佳性能。這種器件的量子效率不能接近100%，最可能的原

28、因是由于肖特基勢(shì)壘二極管的耗盡層寬度小于最佳值。為了使W等于波導(dǎo)厚度，必須非常小心地控制波導(dǎo)中載流子的濃度。在GaAs-GaInAs界面缺陷中心伴隨產(chǎn)生的應(yīng)力也會(huì)引起q減小。 一般來(lái)說(shuō)，III-V族化合物半導(dǎo)體及其有關(guān)三元（和四元）合金給器件設(shè)計(jì)者提供了很寬的帶隙范圍和相應(yīng)的吸收邊波長(zhǎng)范圍。Kimura and Daikoku23給出了帶隙寬度、吸收邊波長(zhǎng)和晶格常數(shù)之間的關(guān)系，如圖17.11所示。虛線對(duì)應(yīng)于間接帶隙組份的范圍。Fig.17.11 選用的III-V族合金，其吸收邊波長(zhǎng)、晶格常數(shù)與組份的關(guān)系對(duì)于波長(zhǎng)比吸收邊短的光，直接帶隙材料的帶間吸收系數(shù)一般大于104 cm-1，而間接帶隙材料的

29、則要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，也能用間接帶隙材料做有效的探測(cè)器，尤其是采用波導(dǎo)探測(cè)器結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度L以補(bǔ)償較小的。 制作波長(zhǎng)范圍為1.01.6 m的探測(cè)器最常用的材料是GaInAsP 17.3.3 質(zhì)子轟擊 第4章曾敘述過(guò)在半導(dǎo)體中用質(zhì)子轟擊產(chǎn)生俘獲載流子的缺陷中心，引起載流子濃度降低和折射率增加，這是制作半導(dǎo)體光波導(dǎo)的方法。這樣制得的光波導(dǎo)在質(zhì)子轟擊之后常需充分退火，以消除俘獲中心引起的光吸收。 對(duì)應(yīng)這種光吸收的機(jī)理之一是載流子從陷阱中激發(fā)出來(lái)，掙脫俘獲并對(duì)光電流產(chǎn)生貢獻(xiàn)。因此，可通過(guò)在注入?yún)^(qū)上面形成肖特基勢(shì)壘結(jié)制得光電二極管，如圖17.15所示28（也可用淺p+-n結(jié)）。 Fig.17.15質(zhì)子

30、注入光電探測(cè)器示意圖 加上反偏壓，由于二極管耗盡層中光激發(fā)所釋放的載流子被電場(chǎng)掃過(guò)而產(chǎn)生光電流。因?yàn)榻麕е杏邢喈?dāng)多的俘獲中心能級(jí)，半導(dǎo)體的有效帶隙減小，以致能量比帶隙小的光子也能被吸收而起產(chǎn)生載流子的作用。這樣，在給定半導(dǎo)體中制作的質(zhì)子轟擊光電二極管能對(duì)該材料一般不吸收的光子響應(yīng)。 例如：Stoll et al.28制作的GaAs探測(cè)器對(duì)1.15 m波長(zhǎng)響應(yīng)靈敏。這個(gè)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是在簡(jiǎn)并摻雜n型襯底（n1.251018 cm-3）上生長(zhǎng)的的3.5 m厚n型外延層（摻S，n106 cm-3）。質(zhì)子注入前，測(cè)得1.15 m光衰減為1.3 cm-1，但在要制作探測(cè)器的區(qū)域以能量300 keV、劑量21

31、015 cm-2作質(zhì)子注入后，增加到300 cm-1以上。在500 C作部分光損傷退火30分鐘，減少到15 cm-1，可使光在整個(gè)注入?yún)^(qū)長(zhǎng)度內(nèi)通過(guò)。然后，在注入?yún)^(qū)頂部蒸鍍Al肖特基勢(shì)壘接觸，器件才制作完畢。質(zhì)子注入探測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng)作為波長(zhǎng)的函數(shù)如圖17.16所示，圖中同時(shí)給出類似的不用質(zhì)子注入的GaAs探測(cè)器的響應(yīng)曲線。在波長(zhǎng)大于9000 時(shí)，不用質(zhì)子注入的GaAs探測(cè)器響應(yīng)很小，可以略去；但質(zhì)子轟擊探測(cè)器有一顯著的吸收尾，一直延伸到波長(zhǎng)1.3 m。記住，在波長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)即使相當(dāng)小，探測(cè)器整個(gè)長(zhǎng)度的總吸收仍相當(dāng)大。 Fig.17.16 GaAs質(zhì)子注入探測(cè)器的光響應(yīng)17.3.4 電吸收 使單片

32、波導(dǎo)探測(cè)器的吸收邊位移到所需要的較長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍的另一種方法是電吸收，或稱Franz-Keldysh效應(yīng)。在半導(dǎo)體二極管上加反偏壓，耗盡層內(nèi)建立起強(qiáng)電場(chǎng)，該電場(chǎng)可引起吸收邊向較長(zhǎng)波長(zhǎng)位移，如圖17.19所示。 圖中，曲線A表示載流子濃度為31016 cm-3的n型GaAs正常無(wú)偏壓時(shí)的吸收邊；曲線B表示1.35105 V/cm電場(chǎng)作用下計(jì)算所得吸收邊的Franz-Keldysh位移，這個(gè)電場(chǎng)大小相當(dāng)于50 V反偏壓跨越寬度為3.7 m的耗盡層。波長(zhǎng)9000 時(shí)這種Franz-Keldysh效應(yīng)位移對(duì)應(yīng)于從25 cm-1增加到104cm-1，這是很難忽略的效應(yīng)！ Fig. 17.19由于Franz-Keldysh效應(yīng)，GaAs吸收邊的位移（A）零偏壓情況；（B）反偏壓產(chǎn)生電場(chǎng)為1.35105 V/cmFig.17.20說(shuō)明Franz-Keldysh效應(yīng)的能帶圖。圖中示出強(qiáng)反偏壓作用下P+-n結(jié)（或肖特基勢(shì)壘結(jié)）的n區(qū)的能帶彎曲 Franz-Keldysh效應(yīng)的物理基礎(chǔ)可從圖17.20所示簡(jiǎn)單的能帶彎曲模型來(lái)理解圖中x表示離開(kāi)結(jié)平面的距離。在遠(yuǎn)離結(jié)的區(qū)域沒(méi)有電場(chǎng)，光子至少須具有帶隙能量E-E以產(chǎn)生電子躍遷，如圖中的（a）。但在電場(chǎng)很強(qiáng)的耗盡區(qū)內(nèi)，如圖中（b）這種躍遷也