光电探测器综述(PD)分解
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,ＣMＯS
Aｂstrac t: Iｎrｅcent yearｓ,arｏund the phｏtoelecｔrｉc sｙｓtemｔ
ｏｃａrrｙout tｈe stｕdy of all kinds of ｋｅyｔechnologiｅs, i
ｎorder tｏrｅaｌizｅhigｈintegratioｎ,high pｅrformance, low
pｏweｒconsumption anｄlow cｏsｔoｆphotｏｅｌｅctric dｅ
tectｏr (Pｈｏｔodetｅctor) and optｏｅlｅctｒonic inｔeｇratedｃ
ircuiｔ(ＯEＩC) has becomｅａmａjｏr new cｈallｅnge．Especial
ｌy higｈrｅspoｎse ｓpeｅd，high quaｎtumｅfficｉeｎcy，a
ｎd ｌowｄａrk current hｉgh-peｒｆormance photodｅｔｅｃtｏｒ,
iｓnot oｎｌy tｈe nｅｅｄs ｆｏr developｍｅnｔof optiｃaｌｃ
ｏmｍｕniｃation teｃhｎoｌｏgｙ, butａlsｏrｅａlizeｔｈe n
ｅeds fｏｒsilｉｃon-baｓed optoelectrｏnicｉntegratｅd,haｓｔ
he very high rｅsearｃh value.This pａper ｒevｉｅｗs the
develoｐmｅntｏf dｉfferent characteristics anｄｒesulｔs of photodetecｔｏ
ｒfor tｈｅpast dｅcade, ａnd dｉsｃuｓseｓｔhe photodeｔｅｃｔor
developmｅnt dｉｒeｃｔioｎinｔhｅnext fｅw ｙｅａrｓ,tｈe sｔudy
ｏf hiｇh peｒformance phｏtoeleｃtｒiｃdｅtｅctoｒ,tｈe
strｕctｕre, and related tｅchnoloｇｙ, maｎuｆaｃturing，hａs ｖery
important ｐｒacticaｌsignificａnce.
ＫeｙWorｄ: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 当光在半导体中传输时,光波的能量随着传播会逐渐衰减，其原因是光子 在半导体中产生了吸收。半导体对光子的吸收最主要的吸收为本征吸收,本征 吸收分为直接跃迁和间接跃迁。通过测试半导体的本征吸收光谱除了可以得到半导体的禁带宽度等信息外，还可以用来分辨直接带隙半导体和间接带隙半导体。本征吸收导致材料的吸收系数通常比较高，由于半导体的能带结构所以半导体具有连续的吸收谱。从吸收谱可以看出，当本征吸收开始时,半导体的吸收谱有一明显的吸收边。但是对于硅材料，由于其是间接带隙材料，与三五族材料相比跃迁几率较低,因而只有非常小的吸收系数,同时导致在相同能量的光子照射下在硅材料中的光的吸收深度更大。直接带隙材料的吸收边比间接带隙材料陡峭很多,图1－1画出了几种常用半导体材料（如GａAｓ、IｎP、InＡs、Ｓｉ、Ｇe、GaP等材料)的入射光波长和光吸收系数、渗透深度的关系［２]。 图 1 －１半导体材料光吸收系数与波长的关系 1．4 光电探测器的性能指标 光电探测器的性能指标主要由量子效率、响应度、响应速度和本征带宽、光电流，暗电流和噪声等指标组成： １.量子效率: %100-?=入射光子数空穴对个数生成的电子η 错误! )1(a s e ωαη--= 错误! （wa 表示吸收层的厚度,αs 表示光吸收系数,入射波长 λ、材料消光系数 k 决定吸收系数 αs=４πk/λ。）考虑实际情况,入射光在探测器表面会被反射。同时探测器表面存在一定宽度的接触掺杂区域，其中也会产生光子的消耗，考虑以上两种因素的量子效率的表达式: ) 1()1(a s s w d f e e R ααη---??-= 错误! 其中 d 表示接触层厚度,Rf 表示光电探测器表面的反射率。反射率与界面的折射率 ｎsc 和吸收层的消光系数 κ 有关,Rf 可以表示成下式： 2222)1()1(κκ+++-=sc sc f n n R 错误! 2.响应度： 定义为光电探测器产生光电流与入射光功率比，单位通常为 A ／Ｗ。响应度与量子效率的大小有关,为量子效率的外在体现。响应度 R ： r p P I R = 或 r p P V R = ＼o ＼ac(○，5) p I 表示光电探测器产生的光电流，Pr 代表入射光功率。则量子效率可变为 下式表示： hv P q I r p //= η 错误! 进而可得响应度的公式为： hv q R ?=η 错误! 可知响应度与量子效率成正比，由于硅材料本身为间接带隙,所以材料的量子效率较低,硅基光电探测器的响应度也较小。 3、响应速度与本征带宽 响应速度可以用光生载流子的渡越时间表示，载流子的渡越时间外在的频率响应的表现就是探测器的带宽。光生载流子的渡越时间在光生电流变化中表现为两部分：上升时间和下降时间。通常取上升时间和下降时间中的较大者衡量探测器的响应速度。决定探测器响应速度的因素主要有: ⑴、耗尽区载流子渡越时间：载流子的渡越时间是影响探测器响应速度的最重要因素，当耗尽区电场强度达到最大时， d V 表示载流子的最大漂移速度，W 表示耗尽区宽度，那么载流子的渡越时间为：d V W t = 错误! ⑵耗尽区外载流子扩散时间：载流子扩散的速度较慢,同时大多数产生于耗尽区之外的载流子的寿命非常短,复合发生速度快。所以扩散运动只对距离耗尽区范围较近的载流子才能通过扩散运动达到耗尽区中，并在电场中漂移产生光电流。Dc 表示载流子的扩散系数，d 表示扩散距离,则扩散时间如下式： c diff D d t 22= 错误! ⑶光电二极管耗尽区电容：越大，响应速度就越慢。 为了达到最优的探测器的响应速度,需要在探测器的吸收层厚度和光电探测器的面积中折衷。如增大探测器材料的吸收层厚度可以有效减小耗尽区平板电容，同时可增大吸收层厚度可以提高探测器的量子效率。但是吸收层厚度的增加导致耗尽区宽度的变大，是光生载流子渡越时间变长而有可能降低探测器的响应速度。 ⑷暗电流和噪声 光电流指在入射光照射下光电探测器所产生的光生电流，暗电流可以定义为 没有光入射的情况下探测器存在的漏电流。其大小影响着光接收机的灵敏度大小，是探测器的主要指标之一。暗电流主要包括以下几种：①耗尽区中边界的少子扩散电流;②载流子的产生－复合电流，通过在加工中消除硅材料的晶格缺陷，可以有效减小载流子的产生-复合电流,通常对于高纯度的单晶硅产生－复合电流可以降低到 211/102mm A -?以下;③表面泄漏电流,在制造工艺结束时，对芯 片表面进行钝化处理,可以将表面漏电流降低到211/10mm A -量级。当然,暗电 流也受探测器工作温度和偏置电压的影响。探测器的暗电流与噪声是分不开的,通常光电探测器的噪声主要分为暗电流噪声、散粒噪声和热噪声：ａ暗电流噪声:对于一个光电探测器来讲，可接收的最小光功率是由探测器的暗电流决定的，所以减小探测器的暗电流能提高光接收机的灵敏度；b 散粒噪声:当探测器接收入射光时,散粒噪声就产生于光子的产生-复合过程中。由于光生载流子的数量变化规律服从泊松统计分部,所以光生载流子的产生过程存在散粒噪声；c 热噪声:由于导体中电子的随机运动会产生导体两端电压的波动,因此就会产生热噪声。光电探测器的电路模型中包含的电阻为其热噪声的主要来源。 4、噪声等效功率ＮＥP ：单位信噪比时的入射光功率。 n s V V P NEP /= 错误! 5、探测度Ｄ: NEP D 1= 错误! ６、线性度: 12max I I -?=δ 错误! 1.5 光电探测器的选择与主要应用 １．5．1光电探测器的应用选择 光电探测器件的应用选择，实际上是应用时的一些事项或要点。在很多要求不太严格的应用中,可采用任何一种光电探测器件。不过在某些情况下,选用某种器件会更合适些。例如,当需要比较大的光敏面积时,可选用真空光电管,因其光谱响应范围比较宽［３]，故真空光电管普遍应用于分光光度计中。当被测辐射信号微弱、要求响应速度较高时,采用光电倍增管最合适，因为其放大倍数可达10０以上,这样高的增益可使其信号超过输出和放大线路内的噪声分量[４]，使得对探测器的限制只剩下光阴极电流中的统计变化。因此,在天文学、光谱学、激光测距和闪烁计数等方面，光电倍增管得到广泛应用。 目前,固体光电探测器用途非常广。CdS 光敏电阻因其成本低而在光亮面积的器件，它除用做探测器件外,还可作太阳能变换器；硅光电二极管体积小、响应快、可靠性高，而且在可见光与近红外波段内有较高的量子效率，困而在各种 工业控制中获得应用。硅雪崩管由于增益高、响应快、噪声小，因而在激光测距与光纤通信中普遍采用［4]。 <1＞、光电探测器必须和辐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。 <２>、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，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λc为λc=hc／Ｅg＝1.2４/Eg (μｍ)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、PbSe等;在长于8微米波段有: Te、Si掺杂、Ge掺杂等；CdS、C ｄSe、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τ，它表示器件对光照反应速度的大小。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τ。也有按光电流下降到最大值的1０％计算τ的;各种光敏电阻的时间常数差别很大。CｄS的时间常数比较大(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S ｉ光电探测器的发展更是取得了瞩目的结果。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 Aｃces ｓArticles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衬底双光电探测器和空间调制探测器。其中，响应度高响应速度快的PI Ｎ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PI Ｎ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。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,由于标准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。 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 μm,所以N 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,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 μm标准CMＯＳ工艺下，入射光波长为850nm,低掺杂的P 衬底所形成的扩散电流的本征带宽大约3.5MHz,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,并且在标准CMO Ｓ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。 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［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。 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。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,其原理是减小P-SUB 区慢扩散光生载流子的影响，利用N+和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-SＵB 上，而PWELＬ与P-ＳUB 都是P型半导体区域，这将导致N+／PWＥLL 光电探测器不能实现与P-SUB有效隔离，即Ｐ-ＳUＢ区的慢光生载流子仍能以一定的几率扩散至N＋与PWEＬL 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。 图2-4 N＋/PWＥLL 光电探测器 2、P＋/ＮWＥＬL/P－SUＢＣMOS双光电探测器 N＋／PWELＬ光电探测器结构改进为如图2-５所示的Ｐ+/NWＥLＬ/Ｐ－ＳUB双光电探测器结构。在结构中构造出两个二极管,其中的工作二极管由Ｐ+和ＮWＥLＬ形成,屏蔽二极管则由ＮＷＥＬL 和Ｐ－SUＢ形成。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 结耗尽区最大化，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。 图2-５P+/NWELL/Ｐ-SUB CＭOS双光电探测器 3、差分光电探测器 基于Ｐ+/NWELL 型PN 结的全差分光电探测器,其结构图见2－６。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－SUB ＣＭOＳ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。 图2－6基于P+／NＷEＬL型ＰＮ结的全差分光电探测器 2．3谐振腔增强型光电探测器 (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[1２],主要基于其噪声小、暗电流特性好。工作波长在 1.5５μm左右,由Dentai等人报道了的InGaＡs / InGａAs ／InP结构的RCＥPIN光电探测器[１3]。器件如图2－7 所示，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。、Rt表示顶部反射镜的反射率，Rb表示底部反射镜的反射率，当Ｒt=0．7,Ｒb=0.9５,吸收层的厚度为２０0nm时，器件的最大量子效率为82%。 图2-7 谐振腔增强型PIＮ光电探测器的结构图 （2)、RCＥ肖特基(Schｏttky）光电探测器 RCＥSchottky光电探测器是首批被报道的RＣＥ器件之一[1４]。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Schoｔtｋy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[3７],其采用的谐振腔结构。采用分子束外延法MBE（mｏlecuｌar beam epiｔaxy）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）[15，１6]，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。若入射光光照是mw级的照射,其生成的响应电流仅有nＡ级别。 （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,并有相应的成果展示［1８,19］。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[２０］。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RC Ｅ光电探测器利用VC ＳEL 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%。 图2－8 基于SOI CMOS 工艺的RCE 光电探测器的基本结构 P+P+P+ P+Si 膜 P-substrate Nwell N+P+ N+ 图2-9 ＳOI 基C ＭOS R ＣＥ光电探测器的结构 SOI 基C ＭOS R ＣＥ光探测器的DBR 顶镜反射镜采用Ｓi －ＳiO 2组成,底部反射镜由材料本身的埋氧化层厚度决定,P Ｎ结的耗尽区作为器件的吸收层,来设计850nm 通信波段的RC Ｅ光探测器，器件结构如图2-8、 2-9所示。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。 三、光电探测器的现状评述及未来预测 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明的特点：信道中心波长位置可以调谐、高速、单片集成,相应的其他一些特点也应该具有：信道波长的分辨能力强、调谐时间短、温度稳定性高、结构密集，成本低等。响应度与量子效率之间相互约束的问题不仅在RCE光电探测器这种结构的器件上得以解决,同时还使其具有量子效率高、响应度高以及波长选择等特性,成就了谐振腔型光电探测器的在WDM系统中的解复用接受应用的理想选择。不过,还有部分需要改进,如可调谐、较好的通带性能、易于集成等。所以,还是需要进一步的研究RC Ｅ光电探测器的性能,以期这些特性的实现。 四、参考文献 ［1] Ｍao Luhong, Simｕlaｔioｎand Deｓｉgn of aＣMＯＳ－Proｃeｓｓ－Ｃｏｍｐａtiｂle High-SpeedＳi-Photodｅteｃｔｏr, CＨINEＳE ＪＯＵRＮＡL OF SＥMＩCONDＵCTORS Feb.，2０0２ [2］Ｄａniｅl Ｄuｒini ,PhotodeteｃtoｒStructures for StandａrｄCＭOS ImａｇinｇAppｌications,２00７,1２ [3] Sunil Ｓ. Konａnｋi anｄFred R. ＢeyeｔｔｅJr,“Charactｅrizａtion and Pｅrfoｒmance Eval ｕatioｎof CMOＳＢaｓedＰｈotoｄｅtectors ”, Submｉｔted ｔｏIＥEＥ，at 20０0 [4］胡红光一种光电探测器电路的设计20０0.６ [５] G.N Lu，Ｐ.Pitteｔ, Ｇ.Ｃarｒｉllo aｎdＡ. ＥｌMourａｂｉt, On-ChiｐSynｃhr ｏnous Detｅctiｏn ｆoｒCMＯS Photoｄeｔector,200２， [６］LEI Xiao quaｎ, Ｓimulａｔion anｄMeａsuremｅnt of ＭS/ＲF ＣMOＳ2Compａtｉｂｌe Ｐhoｔoｄｅｔecｔors, Jｏurnal of Optoｅlｅctｒoｎics·Laｓer,Ｖoｌ.17 Ｎo.12Dｅc.２006 [7] H. Zｉmmerｍann,IｎｔegｒaｔｅｄHｉgh-Spｅed, Ｈigｈ-Seｎsitiｖity Phｏｔｏｄｉoｄ esａnｄOｐtｏｅlecｔronic IntｅgratｅdＣircuitｓ,Seｎsors anｄMaterｉals, 2０01，13(4):1８9~20６ [8] 毛陆虹，陈弘达,吴荣汉等,与CＭＯS 工艺兼容的硅高速光电探测器模拟与设计,半导体学报,２ 002，23（2): 193~１97 [９］Coppeｅ，D., Pan,W.，Vounｃhx, Ｒ., eｔal．Tｈｅsｐatｉally ｍoｄulａted lｉg ｈtｄeｔｅcｔor,Optiｃal Fｉber ＣommuniｃａｔioｎConfeｒｅncｅａnｄExｈｉｂｉt，ＯFC '98., Tｅcｈnical Ｄigeｓｔ,199８：３15～316 [10]Ｊ. Genoe, Ｄ.Coｐpee,Ｊ．H.Stiens, ｅt aｌ. Cacuｌatｉon of thｅcuｒrｅｎt ｒespo ｎse oftｈｅspａｔially mｏｄｕlatｅd ｌｉgｈt CMOS detectors, IEEE Tｒａｎｓ．Eｌｅctr ｏn Ｄevicｅ,2001,48(9):１89２～1９02 [11]余长亮，毛陆虹，肖新东,一种新颖全差分光电集成接收机的标准CＭOＳ实现,光电子?激光， 20０9，20(４)：432~435 [ＥＩ: ２０0921１２09１2１４] [1２] 刘凯，黄永清，任晓敏. 考虑不同层材料折射率差时的谐振腔增强型光电探测器分析［J］.光电子·激光,19９8，９(５)：360-37１． [13]B．M．Ｏnat,M. Ｇｏｋkavas，ｅt al. １00ＧHz ｒｅｓｏnaｎｔcａvｉtyｅnhａnc ｅd scｈotｔky photoｄiｏdes[J]. Phoｔｏｎｉcs Technol．Leｔt, 1998, 10(5):７07-709. [14］Ｕ.Prank, et ａｌ. MＳM phｏtodeｔeｃtｏr with iｎtｅｇｒated faｂｒy－perｏt resoｎant ｏr fｏｒwａｖｅlengthｄemultiｐlexing ｈigｈbaｎdwidth ｒeceiｖers [J]. Appｌ．Ｐhys．Letｔ, 1９９３, 62（2）:１2９-130. [１5] S.L. Zhｏu，D.P. Peｎｇ，Y. L. Ｑｉｎ,et aｌ. On the peｒformaｎｃe analｙsis and desｉgn ofａｎovel sharｅd－laｙｅｒintegrated deviｃｅusinｇRCE p－i-ｎ PD/ＳHBＴ［Ｊ]. Proc. of SＰIE, 2007, 6７８２：0J１-0Ｊ8. [１6] S.S.Ｍｕrt, K. A. Aｎselm, et aｌ.Rｅsonant－ｃａｖity-eｎhanced （RＣE）separate ａbsorption anｄmｕltipｌicａｔｉon (SAM）ａvaｌanche photｏdetecｔｏr(APD) [Ｊ]. Ph ｏtonics Teｃhnoｌ. Lett. 199５, 7(１２):148６-14８8. [17] Ｅ．Mao，Ｄ.R.Yankelevich，eｔal. Ｗａveｌeｎｇth-sｅleｃtive semｉcｏｎdｕ ctor in-ｌine fiber pｈoｔodeｔｅctｏrs[J]. Eleｃtronｉcs Lettｅrs, ２000, 36(6）:515-5１6. [１8] A. K. Gａngｕlｙ, A.Gangｕｌｙ, M.Bｈoumｉｃ,et al．Hｉgh-speeｄmeｔａl-semiconｄuｃtor-ｍｅｔal photodiode[C]．ＩCIIＳ，２０0８:1-４． [19]M.Ｓ. Ｕnlü．Ｒesonａnｔcavｉty enhancｅdｐhoｔoｎｉc ｄeviｃes [J]. Aｐpl. Phys. １９95，7８(2):607-639. [２0] Ｊ.A．Jｅrvasｅ, Ｈ．Bourdoucen.Design oｆｒｅsｏｎant-cavitｙ-enhaｎced phｏtodetectoｒｓｕsiｎg ｇeｎetic aｌgorｉthｍｓ[J]. QuａnｔuｍElectｒon, 200０, 36(３):３25-33２.