半导体光电探测器的新进展

半导体光电探测器的新进展摘要半导体光电探测是半导体光电子学的重要部分，半导体光电探测器在光纤通信，红外遥感等领域有广泛的应用。本文介绍了几种最新的半导体光电探测器结构，旨在探讨国内外当前半导体光电探测器的研究现状及发展趋势。关键词：光电探测器，位敏探测器，红外探测器AbstractSemiconductorphotoelectricdetectionisanimportantpartofthesemiconductoroptoelectronics,semiconductorphotodetectorarewidelyusedinthefieldofopticalfibercommunications,infraredremotesensing.Thisarticledescribesseveralnewsemiconductorphotodetectorstructure,aimstoexplorethecurrentstatusanddevelopmenttrendsofthesemiconductorphotodetector.Keywords:Photodetector,Positionsensitivedetector,Infrareddetectors一、引言半导体光电探测器是利用半导体材料的光电效应来接收和探测光信号的器件，它通过吸收光子产生电子-空穴对，从而在外电路产生与入射光强度成正比的光电流以方便测量入射光。半导体光电探测器由于体积小，重量轻，响应速度快，灵敏度高，易于与其他半导体器件集成，是光源的最理想探测器，可广泛用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统。随着现代科学技术的发展，特别是光电子技术的发展，现代武器装备的精度和性能有了很大的提高，使现代战争具备了新的特点。半导体光电探测器是军用光电子设备和系统的关键器件，已广泛用于军事领域。军用光电子设备是指利用半导体光电探测器探测、变换、传输、存储、处理光和辐射的各种军事装置，半导体光电探测器技术在军事上的应用，大大扩展了作战的时域、空域和频域，影响和改变了传统的作战方式和效率，并在许多方面提高了武器的威力、作战指挥、战场管理能力。半导体光电探测器器件在新型武器系统中起着不可替代的作用。目前，半导体光电探测器已有很大进展，这将大大提高军用光电子装备的性能和竞争力。在军事领域中，最为广泛应用的半导体光电探测器是光电探测器（PD）、位敏探测器（PSD)和红外探测器。二、光电探测器最新进展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目的结果。2005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有着广阔的发展前景。2.1硅基光电探测器]1[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。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Si衬底形成，由于本征衬底是未掺杂的，所以PIN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，由于标CMOS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。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阱扩散电流和PN结耗尽区漂移电流所构成。对于波长为850nm的入射光，硅衬底的吸收深度约为二十微米，这导致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，因而阱扩散电流来说，由于在亚微米CMOS工艺中阱区域产生的光生载流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，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。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，并且在标准CMOS下不增加工艺的复杂度。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，提高工作二极管的响应度。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。空间调制光电探测器的结构能够兼容与商用CMOS工艺。2.2常见的标准CMOS光电探测器]3~2[常见的光电探测器均是基于PN结来构造的，其原理是利用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光电探测器原理是减小P-SUB区慢扩散光生载流子的影响，利用PWELL形成的PN结耗尽区来形成具有较高本征带宽的光生电流信号，但由于是制作在P-SUBP-SUB都是/PWELL光电探测器不能实现与P-SUB有效隔离，即P-SUBPWELL形成的PN结耗尽区并形成光生电流，因而本征带宽不是很高。2、P＋/NWELL/P-SUBCMOS双光电探测器当该双光电探测器处于工作状态时，P＋区的引出电极为输出端，NWELL的引出电极连接电源（VDD），P-SUB的引出电极则连接至地（GND）。此时两个二极管均处于反偏状态。由于电源和地均等效为交流地，故在交流状态下NWELL/P-SUB屏蔽二极管完全被短路至交流地。由于P-SUB区光生载流子完全被屏蔽二极管所吸收，不能扩散到工作二极管区域，因而P-SUB区光生载流子形成的扩散电流完全被短路至交流地，从而彻底消除了P-SUB区慢扩散载流子对光电探测器响应速度的限制。此外，该双光电探测器还利用插指型P+区使工作二极管的PN耗尽区最大化，从而可迅速地收集工作二极管区域内的光生载流子，使光电探测器的响应度和本征带宽得到了进一步提高。3、差分光电探测器该全差分光电探测器由两个形状和尺寸完全相同且对称的方形P+/NWELL/P-SUB双光电二极管组成，且每个双光电二极管的受光区域面积为总受光区域面积的一半。由P＋/NWELL/P-SUBCMOS双光电探测器的工作原理可得该结构的优点是避免慢光生载流子大大降低光电探测器的本征带宽和光信号探测速度。提高了响应度。但不足之处是设计较为简单，不能达到较好的全差分特性。2.3谐振腔增强型光电探测器]5~4[1、PINRCE光电探测器该类型的探测器能够成为高速光电探测的首要选择的器件，主要基于其噪声小、暗电流特性好。工作波长在1.55μ左右，入射光垂直进入器件，上下反射镜都是由Brag反射镜构成，合理的优化设计反射镜的堆栈结构，调整顶部反射镜、底部反射镜的反射率，以及谐振腔腔体的尺寸厚度，使得器件的量子效率达到最大值。2、RCE肖特基光电探测器RCE肖特基光电探测器是首批被报道的RCE器件之一。光从顶层入射时金属层的透光较差，所以顶层应换成半透明层肖特基接触。近年来谐振腔增强结构的光电探测器是光电子器件的主要新种类，它很好的解决了普通光电二极管量子效率和带宽间相互约束的关系，所以RCE光电探测器对肖特基型光电检测器具有很大的影响力。现已报道光电二极管的3dB响应带宽可做到l00GHz，其采用的谐振腔结构。采用分子束外延法MBE来生长反射镜结构，顶层反射镜为Au接触层，在Au接触层上再淀积一层Si3N4增透膜来增加透光，底层反射镜是由AlAs-GaAs材料组成DBR反射镜结构。并通过合理的优化设计InGaAs吸收层在谐振腔腔体中的位置，使得光生载流子的输运时间最短，从而提高探测器的响应速率。3、金属/半导体/金属(MSM)结构的RCE光探测器MSM结构基于其平面配置结构电极，本身电容较小，极易获得高的响应带宽（20~50GHz），谐振微腔的引入，进一步缩小了器件的响应光谱宽（1nm）。虽然响应带宽较高，但量子效率仍然不高。4、RCE雪崩光电二极管(APD)RCE雪崩光电二极管的结构也得到很大的关注和研究，并有相应的成果展。电子在跃迁的过程中得到足够多的能量，同时在电场的作用力下加速，形成碰撞电离，形成的电子-空穴对在电场的作用下加速，进而产生更多的电子-空穴对，这就是二极管的雪崩倍增效应，使得光电二极管在低压下即可获得较大增益，增益区电场强度得到了增强，器件可在小功率下工作。现在，已报道的实际测得的RCE光电探测器最好的性能指标为：量子效率73%，光谱响应半峰宽为1.7nm，接近理论上的极值，很难在保持量子效率很高的同时获得窄的谱线宽。另外，由于驻波效应的影响，吸收层的位置也会对量子效率造成影响。当吸收层非常薄时（200nm），可采用改变谐振腔的腔长或者材料来进行调谐时，吸收层位置的微小移动将会影响吸收层中的光电场分布在最值的之间波动，影响器件的量子效率。5、SOI基CMOSRCE光电探测器普通的RCE光电探测器利用VCSEL激光器提供光源，其入射光方式都是垂直入射，在衬底上依次生长底层DBR层、吸收层、顶层DBR。为了结构的简单，有些顶层DBR直接利用空气与半导体界面的反射，其反射率约为34%。SOI基CMOSRCE光探测器的DBR顶镜反射镜采用Si组成，底部反射镜由材料本身的埋氧化层厚度决定，PN结的耗尽区作为器件的吸收层，来设计850nm通信波段的RCE光探测器。入射光透过顶部反射镜进入谐振腔，在上下反射镜构成的谐振腔作用下光在其中来回的行进，若腔体设计合理，可使得光波得到谐振增强，耗尽层中吸收的光能量转化为电信号输出。目前，随着光纤通信、红外遥感和军事应用需求的不断增长促进了半导体光电器件及其光电路的发展。围绕着光电系统开展各种关键技术研究，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。光电探测器作为光纤通信中解复用接受技术的关键器件之一，未来应该具有一些鲜