紅外接收用PIN硅光電探測器研究

張 明，費(fèi)誦秋

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

光電探測器是指對各種光輻射進(jìn)行接受和探測的器件，它能將接受到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號（電流或電壓）。硅光電探測器由于具有體積小、噪聲低、響應(yīng)速度快、光譜響應(yīng)性能好等特點(diǎn)，近年來得到了迅速的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于光電檢測系統(tǒng)、光通信領(lǐng)域，特別是940 nm的光電探測器在紅外遙控接收領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)生產(chǎn)遙控接收裝置的廠家所采用的探測器芯片大多為從國外或中國臺灣地區(qū)采購，本文通過對探測器接收原理和應(yīng)用領(lǐng)域的研究，從襯底材料和抗反射膜兩個方面進(jìn)行優(yōu)化，研制了一種PIN結(jié)構(gòu)的光電二極管探測器，對光電探測器的響應(yīng)度進(jìn)行了提升，滿足了客戶的需求。

2 PIN光電二極管原理

光電器件是利用光電效應(yīng)的原理制成：光電效應(yīng)是指對不同頻率ν的光，其光子能量E=hν是不相同的，光波頻率ν越高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看作是一連串能量為hν的光子轟擊在這個物體上，此時光子能量就傳遞給電子，并且是一個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，這種物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。

當(dāng)光照射到光電二極管的光敏面上時，能量大于或等于材料帶隙能量Eg的光子將激勵價(jià)帶上的電子吸收光子的能量而躍遷到導(dǎo)帶上，可以產(chǎn)生自由電子-空穴對（稱為光生載流子）。電子-空穴對在反向偏置的外電場作用下立即分開并在結(jié)區(qū)中向兩端流動，從而在外電路中形成電流（光電流），如圖1。

圖1 能帶圖

由于受激吸收僅僅發(fā)生在PN結(jié)附近，遠(yuǎn)離PN結(jié)的地方?jīng)]有電場存在，因此就決定了PN光電二極管（PN Photodiode，PNPD）或PN光電檢測器的光電變換效率非常低下并且響應(yīng)速度很慢。因此通常在PN結(jié)的P型和N型層之間加入本征I層，以增加耗盡層寬度，這種光電二極管稱為PIN光電二極管，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)PIN光電二極管反向偏壓加大到某一定值時，整個I層變?yōu)楹谋M層，P區(qū)和N區(qū)通常都是重?fù)綋诫s區(qū)，耗盡層向其中的展寬可以忽略不計(jì)。外加反向偏壓電場基本都落在耗盡區(qū)兩端，在此區(qū)域內(nèi)有較強(qiáng)的電場，大部份光子在耗盡區(qū)內(nèi)被吸收，其受到電場加速時間越長，響應(yīng)速度越快。

本征層I的引入增大了耗盡層的寬度，使器件的擊穿電壓不再受到基體材料的限制，從而可選擇低電阻率的基體材料，且有利于光輻照的吸收，提高了量子效率，也明顯減少了結(jié)電容，電路的時間常數(shù)減少，從而減少了器件的響應(yīng)時間。

PIN硅光電二極管的光譜響應(yīng)范圍約為300～1100 nm，圖3為典型材料光電二極管光譜響應(yīng)曲線圖。

在半導(dǎo)體材料中光功率的吸收呈負(fù)指數(shù)規(guī)律：

圖2 PIN光電探測器

圖3 典型材料光電二極管光譜響應(yīng)曲線

其中αs(λ)為波長λ處的吸收系數(shù)，P0是入射光功率，P(x)是通過距離x后所吸收的光功率。因此光照產(chǎn)生的光電流強(qiáng)度隨入射光深入半導(dǎo)體材料的深度呈指數(shù)衰減：

如果吸收系數(shù)大，光的吸收會集中在材料的表面層內(nèi)；圖4給出了在不同波長下Si的吸收系數(shù)變化曲線，從圖中可以看出，Si在940 nm處的吸收系數(shù)α約為2.0×104m-1，如假設(shè)半導(dǎo)體Si材料在能吸收95%的入射光的厚度為d，可以求解：

由上述分析計(jì)算，為使940 nm入射光的95%被吸收，半導(dǎo)體Si材料的厚度應(yīng)為150 μm，因此為了讓更多的光能被吸收，紅外探測器用的半導(dǎo)體Si材料的厚度應(yīng)大于150 μm。

3 PIN光電二極管工藝設(shè)計(jì)

3.1 硅片材料的選擇

量子效率η和響應(yīng)度R是光電探測器的兩個重要特性。響應(yīng)度與量子效率呈對應(yīng)關(guān)系，它們是波長的函數(shù)：

材料不同的光電探測器具有不同的響應(yīng)度，對不同的探測波段，不同材料的光電探測器具有不同的響應(yīng)度，所以應(yīng)該選擇合適的材料來制造探測器。本文所述產(chǎn)品主要應(yīng)用于940 nm紅外波段的探測，為了獲得高的量子效率和響應(yīng)度，耗盡層必須足夠厚，以便能吸收大部分的入射光線，而入射光的強(qiáng)度與光的吸收系數(shù)成反比，因此對于既定材料存在一個吸收長度（L），而L約為吸收系數(shù)αs(λ)的倒數(shù)。因?yàn)楣獾奈罩饕l(fā)生在耗盡區(qū)，為了提高器件的量子效率和響應(yīng)度，耗盡區(qū)的寬度W應(yīng)該大于L，對于940 nm光波長來講，在硅中的L≈50 μm，所以耗盡區(qū)的寬度W應(yīng)該大于50 μm，而根據(jù)公式（1），假定PN結(jié)一側(cè)濃度N≈1020/cm3，工作電壓V=5 V，可以推導(dǎo)材料的電阻率ND約為3×1012/cm3。

3.2 增透膜的研究

量子效率和響應(yīng)度的提升除了增加在硅材料內(nèi)部的充分吸收外，還需要降低入射光的損耗，減反射膜的制作是光電器件制作的一道重要工序，它能減少入射光的反射，增加光的吸收，從而增加光生載流子的數(shù)量，提高光生電流及效率。光電流與反射Rf的關(guān)系如公式（5）所示：

一般說來，折射率大的材料，其反射率也較大。半導(dǎo)體材料的折射率、反射率都較大，因此往往都要使用減反射膜來提高光電器件效率。

單層減反射膜是利用光在減反射膜的兩側(cè)處反射光存在位相差的干涉原理而達(dá)到減反射效果，

公式（6）中，R1、R2分別為外界介質(zhì)與膜和膜與硅表面上的菲涅爾反射系數(shù)；Δ為膜層厚度引起的位相角。

因此，完善的單層減反射薄膜條件是膜層的光學(xué)厚度為1/4波長，其折射率為基片和入射媒質(zhì)折射率乘積的平方根。

表1 硅和砷化鎵的折射率（300K）[1]

SiO2、SiN是常用的增透膜，因?yàn)樵鐾改さ奶匦杂赡拥恼凵渎屎秃穸葲Q定，為對比兩者的差異對光電流的貢獻(xiàn)，安排了以下試驗(yàn)對光敏面厚度和折射率進(jìn)行拉偏，見表2、表3。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

如實(shí)驗(yàn)一分片所示對SiO2厚度進(jìn)行了拉偏，使用摻雜濃度3×1012/cm3的材料片制備不同條件的PIN光電二極管，其光電流的差異如圖5所示。

從上面的對比結(jié)果來看，SiO2160 nm附近產(chǎn)生的光電流最大，與理論d=λ/4n=940/4×1.44完全吻合。

實(shí)驗(yàn)二主要對比折射率對光電流的影響，光電流條件同實(shí)驗(yàn)一，并選測了垂直光入射情況下SiO2與SiN在不同波長的反射率，可以看到SiO2膜的最小反射率只能達(dá)到20%，而SiN膜可以達(dá)到理論上的零反射，因此SiN膜層較SiO2膜層有更優(yōu)越的抗反射性能，參見圖6，折射率拉偏的光電流測試對比見圖7。

表2 實(shí)驗(yàn)一：SiO2厚度對光電流的影響

表3 實(shí)驗(yàn)二：折射率對光電流的影響

圖5 SiO2厚度對光電流的影響

在相同厚度最優(yōu)選擇條件下，SiN的光電流比SiO2膜層可以提升3%，且SiN折射率從1.84到2.00對光電流的影響不大。

圖6 SiO2和SiN的光譜反射率

圖7 增透膜折射率對光電流的影響

5 結(jié)論

本文從PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)和原理出發(fā)，通過選擇合適的襯底材料，并對增透膜特性進(jìn)行研究，可以有效地提升光電探測器的光電響應(yīng)度。利用該方法研發(fā)出的紅外遙控接收芯片可以滿足客戶需求，為今后類似的光電器件研發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)。

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