硅光電探測(cè)器

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1、DOI:10.13290/j.cnki.bdtjs.1983.06.015硅光電探測(cè)器楊成珠李慶文:,一,摘要本文以典型器件為例較詳細(xì)地介紹了引IPN光電二極管和iS雪崩光電二極管討論、了器件理論和器件結(jié)構(gòu)制作工藝等一些實(shí)際問(wèn)題。介紹了典型器件參數(shù)。一、引言,一兀巴e`)光電探測(cè)器是變光信號(hào)為電信號(hào)的元件ù一比已子匕ù洲ù尸,:lk一般要滿(mǎn)足以下要求一;①在系統(tǒng)工作的波長(zhǎng)區(qū)有高的量子效率最小可探測(cè)度滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)信一噪比的要求。,②能跟得上入射光信號(hào)的調(diào)制速度即響毛能電應(yīng)速度快。③輸入一輸出線(xiàn)性好。④能在通常條件下可靠地工作。,半導(dǎo)體光電探測(cè)器是很好的固體元件主、PN。圖1尸IN光要

2、有光導(dǎo)型熱電型和結(jié)型但在許多應(yīng)電二極管原理和光能的變化,,用中特別是在近幾年發(fā)展起來(lái)的光纖系統(tǒng)有選擇性的圖2表示s云的吸收系數(shù)與波長(zhǎng)的,中光導(dǎo)型探測(cè)器處理弱信號(hào)時(shí)噪聲性能很關(guān)系〔1〕;。N差熱電型探測(cè)器不能獲得高的靈敏度而s玄硅PI光電二極管的響應(yīng)速度受三種因素一,:;的吞N(yùn)結(jié)光電探測(cè)器在從可見(jiàn)光近紅外波長(zhǎng)的限制即載流子擴(kuò)散到耗盡區(qū)的時(shí)間在,區(qū)能有效地滿(mǎn)足上述要求,是該波長(zhǎng)區(qū)理想的耗盡區(qū)的漂移時(shí)間和耗盡區(qū)電容決定的Rc光接收元件,本文主要介紹最常用的s公一pIN時(shí)間常數(shù)。。光電二極管和iS雪崩光電二極管2.器件結(jié)構(gòu)和制作工藝、二iS一PIN光電二極管一典型s￡pIN光電二極管的結(jié)

3、構(gòu)如圖3所1.工作原理示,這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于,可以獲得高的量子一。I,isPIN光電二極管實(shí)質(zhì)上是一個(gè)反向偏效率和快速響應(yīng)光主要在層吸收I層的,。,置工作的二極管工作原理如圖1所示半導(dǎo)厚度至少要等于或大于吸收長(zhǎng)1/a以使入射一,。體材料因吸收光子而產(chǎn)生電子空穴對(duì)在耗光能充分為半導(dǎo)體吸收在足夠大的反向偏壓盡層中和離耗盡層一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi),這些電子下工作,可以使載流子獲得最大漂移速度(在,和空穴被耗盡區(qū)電場(chǎng)分開(kāi)接觸電極收集之后s￡中電子的極限漂移速度為1。了厘米/S數(shù)量。,因此N光電二;在外電路中表現(xiàn)為光電流IP級(jí))耗盡區(qū)的加寬也減少了結(jié)電容使器件在極管的反向工作電流是受入射光調(diào)制的。

4、全耗盡狀態(tài)下工作以及適當(dāng)減薄上下?lián)诫s層的,半導(dǎo)體材料硅對(duì)各種波長(zhǎng)的光波的吸收是厚度(小于1拼。)使耗盡區(qū)外載流子的擴(kuò)散,要受載流子穿過(guò)I層的渡越時(shí)間的限制所以往往在量子效率和響應(yīng)速度之間均衡考慮,折,。,;衷選擇以使性能最佳從圖2可以看出對(duì)..,08~。9那爪波長(zhǎng)的光硅的吸收系數(shù)為95。~一`,。,250cm全部吸收需要幾十微米厚例如a.、藝要探測(cè)AzGA:激光器發(fā)射的。85“m波長(zhǎng)的激凌丫從光,硅的吸6o一`,一}收系數(shù)約為oc琳要吸收95腸以上的入射光,I層厚大約為50拌m。但是當(dāng)堿嗜享當(dāng)要求有更快的響應(yīng)速度而放松對(duì)量子效率的要,。求時(shí)I層厚度可適當(dāng)減薄GT101系列的快,,

5、·速PIN二極管上升時(shí)間接近10p、休利特人認(rèn)帕卡德元件公司的尸D10系列快短川N管,上.:.,.!,,.’升時(shí)間為Ins〔10〕。但這是以犧牲量子效率為代價(jià)的?！?.光譜響應(yīng)和l子效率s￡一PIN光電二極管對(duì)0.35一1.1拜。的光,{都有一定的響應(yīng),響應(yīng)峰值通常在0.8~.,。,.D乎奮歹次歹歡7a歲以夕廠夕廠乙Z灘廠歹09“機(jī)圖4是GT101型二極管的光譜響應(yīng)曲波長(zhǎng)(聲,,〔1“〕線(xiàn)在理想情況下,從IPN光電二極管的量圖2吸收系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系子效率可以表示為。一“`刃=1一(z),。其中a是吸收系數(shù)d是耗盡層厚度如果扣乙,那:sf屯除表面非耗盡層內(nèi)的吸收損失么~’《乙二二

6、生七」蘭二::Ja}”二e一`一e`(2)、如列漢占,實(shí)際上并不是全部入射光都能進(jìn)入器件的耗{.乃1盡層,在器件表面,有一定的光被反射回去,一圖3Sf尸IN光電二極管器件結(jié)構(gòu)反射部分的光功率為時(shí)間可以忽略不計(jì)。對(duì)于小光敏面積器件,響契(3)應(yīng)速度往往主要取決于載流子在耗盡區(qū)的渡越十n。,,,式中n為s￡的折射率嘰為空氣的折射率如時(shí)間.,玲;,。isPIN光電二極管制作工藝比較簡(jiǎn)單果別的取34那么反射部分占30腸為了適于批量生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)和國(guó)外都有系列化產(chǎn)品以克服反射損失,一般器件在表面淀積一層防反,s￡3;。滿(mǎn)足不同用途的需要如永川光電器件研究所射膜(例如N)GTr01系列pIN光電

7、二.GTIO;RCAC3os。。。、,09拼m,的系列產(chǎn)品的系列產(chǎn)品等極管用isN作防反射膜對(duì)幾=的光,:N型可以獲得近80腸的量子效率在吸收系數(shù)很小典型制作工藝是采用高阻單晶(電阻率.·c,,〔。在1。。。~2。。?？趍)兩面拋光分別進(jìn)行尸的106拼。波長(zhǎng)仍有37呱的效率“〕型和,O:,4.N型雜質(zhì)擴(kuò)散從作為擴(kuò)散掩膜蒸漏電流一鋁或ITuA作為歐姆接觸。s藝pIN光電二極管的漏電流兒主要由表面,,因?yàn)閯嶱IN光電二極管的響應(yīng)速度主漏電流sI和體內(nèi)漏電流I。組成即。’為內(nèi)建電勢(shì)差I(lǐng)