硅光電二極管結(jié)構(gòu)特性研究

宋玲玲

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110000）

1 引 言

光電二極管和普通的二極管相比雖然都屬于單向?qū)щ姷姆蔷€性半導(dǎo)體器件，但結(jié)構(gòu)上有特殊之處，例如，光電二極管使用時(shí)要反向接入電路中[1]。當(dāng)無光照時(shí)，電路中的反向飽和漏電流很小，稱為暗電流，范圍在1×10-8A 到1×10-9A 之間，此時(shí)相當(dāng)于光電二極管截止；當(dāng)有光照射時(shí)，PN 結(jié)受光子轟擊，吸收光子能量的價(jià)電子被激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，相比多數(shù)載流子來說這些被激發(fā)的載流子影響并不大，但對(duì)P、N 區(qū)的少數(shù)載流子來說，少子數(shù)量明顯增加。通過反向電壓的作用，反向飽和漏電流大幅提升，形成了光電流，該光電流隨入射光強(qiáng)度的變化而相應(yīng)變化[2]。大部分光電器件應(yīng)用產(chǎn)品正是基于這一原理使各自功能得以實(shí)現(xiàn)。

2 硅光電二極管基本結(jié)構(gòu)及原理

光電二極管是一種能夠?qū)嵤┕怆娹D(zhuǎn)換的器件，其基本原理是當(dāng)光線照射在PN 結(jié)結(jié)面上時(shí)，PN 結(jié)通過吸收將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔躘3]，此為一個(gè)吸收過程。

硅光電二極管是在N 型單晶硅襯底上擴(kuò)散一層P 型雜質(zhì)，形成一個(gè)較薄的P+型擴(kuò)散層[4]。平面擴(kuò)散型PN 結(jié)硅光電二極管的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。通過注入擴(kuò)散成P+N 結(jié)，P+區(qū)的光子到達(dá)PN 結(jié)區(qū)產(chǎn)生光電子；另外，為了實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，在N 型單晶硅襯底背面注入擴(kuò)散形成高濃度N+擴(kuò)散區(qū)。硅光電二極管的等效電路如圖2 所示。

圖1 平面擴(kuò)散型PN 結(jié)硅光電二極管結(jié)構(gòu)圖

圖2 等效電路圖

圖2 中電流源IS是硅光電二極管受光照激發(fā)后所產(chǎn)生的光電流IL、暗電流Id和噪聲電流In之和，即：

一般情況下，質(zhì)量合格的器件，噪聲電流會(huì)很小，可以忽略不計(jì)。在利用硅光電二極管對(duì)光信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，暗電流可以通過調(diào)零消除。但要注意暗電流受溫度影響較大，在室溫下，隨溫度增加1倍，暗電流提升10 倍；同時(shí)，暗電流還與外加電壓和結(jié)面積成正比關(guān)系，外加偏壓越高、面積越大，暗電流就越大。在不計(jì)暗電流和噪聲電流影響時(shí)，可以近似地認(rèn)為IS≈IL。

圖2 中，串聯(lián)電阻RS和結(jié)電容Cd的大小與二極管的尺寸、結(jié)構(gòu)和偏壓有關(guān)。偏壓越大，RS、Cd越小。硅光電二極管耗盡層電阻和漏電阻構(gòu)成了硅光電二極管的并聯(lián)電阻Rd，其阻值隨溫度變化，與二極管尺寸有關(guān)。結(jié)面積越小，溫度越高，Rd就越小。

該產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有如此特點(diǎn)是為了獲得較大的光敏區(qū)面積，增大管芯尺寸。每個(gè)管芯都是由連續(xù)N 多個(gè)光敏區(qū)面積依次增加的小光電二極管組成，成串聯(lián)關(guān)系。

正因?yàn)檫@一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，增加了芯片在加工過程中的難度。任何一只光電二極管失效，都將導(dǎo)致整個(gè)管芯失效。單晶片本身襯底晶格缺陷或加工環(huán)境在光敏區(qū)引入的顆粒缺陷、人為劃傷等都可能直接導(dǎo)致管芯失效，最終表現(xiàn)為測(cè)試時(shí)漏電流過大或者光電流小等問題。因此，該結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的加工對(duì)工藝水平要求高，同一工藝條件下，流片的成品率和一致性較差，產(chǎn)品電參數(shù)時(shí)好時(shí)壞。設(shè)計(jì)上還需進(jìn)一步優(yōu)化。

3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)及工藝

欲對(duì)通常形態(tài)的硅光電二極管產(chǎn)品加以優(yōu)化改進(jìn)，須從具體的物理機(jī)理入手。硅光電二極的光電流IL可如下式表示[5]：

式中，LN、LP是PN 結(jié)兩側(cè)少子擴(kuò)散長(zhǎng)度；Xm是PN 結(jié)勢(shì)壘寬度；g 為電子空穴對(duì)產(chǎn)生率。光電流大小與材料選擇、PN 結(jié)面積和結(jié)深有關(guān)?？赏ㄟ^優(yōu)化版圖設(shè)計(jì)、增加光敏區(qū)面積、淺結(jié)離子注入/擴(kuò)散、薄氧化層保護(hù)及防反膜等技術(shù)，提高硅光電二極管的性能。

光電二極管的暗電流Id可如下式所示：

式中，ni是硅的本征載流子濃度；ε 是硅的相對(duì)介電常數(shù)；ε0是真空介電常數(shù)；VA是外加電壓；ND為N 型材料摻雜濃度；ττp為少子壽命；q 為電子電荷；Aj為PN 結(jié)面積。ni、ε、ε0和q 皆為常數(shù)；VA為已知條件，可以看出Id和τp成反比關(guān)系。由于暗電流取決于無光照時(shí)的表面漏電和結(jié)漏電，結(jié)合上述分析，優(yōu)化主要從以下幾方面進(jìn)行：

(一) 選用長(zhǎng)壽命、高電阻率的N＜100＞型硅片作為襯底材料以減少結(jié)漏電。

(二) 在光敏區(qū)增加一層增透膜，使產(chǎn)品在其應(yīng)用的光源波段增強(qiáng)吸收，更大程度產(chǎn)生光電流。

在單層膜系中，有兩個(gè)界面，也就是入射光所在的介質(zhì)（空氣）和膜層的界面（n1）及膜層與基底的界面（n2）。膜層的折射率n1小于基底的折射率n2時(shí)，膜系的反射率比沒有鍍膜基底的反射率一般都低，即膜層有增透作用。任意兩相鄰反射光由于光程上的差別所引起的相位差[6]為：

其中λ 為真空中波長(zhǎng)；i1是光在膜層中的折射角，d1為介質(zhì)層的厚度。當(dāng)光線垂直入射時(shí)，i1為0，cos i1等于1。從式(4)可以看出n1d1=λ0/4 時(shí)，增透效果最佳。

以紅外波長(zhǎng)940 nm 為例，單層膜系，硅襯底光電二極管增透防反膜是SiO2時(shí)，其折射率為1.45，根據(jù)公式得出最小膜厚為162 nm；增透防反膜是氮化硅時(shí)，折射率應(yīng)為2.01，可以算出其最小膜厚為116 nm。雙層增透膜一般工藝采用下面SiO2膜，上面Si3N4膜，通過改善對(duì)特定波長(zhǎng)的透射率特性，使膜系在較寬的波段上有良好的增透效果。其控制難點(diǎn)在于膜厚和均勻性控制。

(三) 增加N+環(huán)和P 環(huán)減少漏電流。

光電二極管光敏區(qū)的SiO2保護(hù)膜中含有少量不移動(dòng)的正離子，但通過這些正離子的靜電感應(yīng)可以在P 型Si 表面形成感應(yīng)電子層[7]，導(dǎo)電類型與N型Si 相同，于是P 型Si 和N 型Si 就連通了。在外加偏壓的作用下，從前極流出的暗電流包含PN 結(jié)反向電流和這個(gè)感應(yīng)電子層產(chǎn)生的漏電流。因此，一方面要在加工過程中嚴(yán)格控制清洗工藝和凈化環(huán)境，減少膜層內(nèi)正離子；另一方面，注入形成N+型Si 環(huán)結(jié)構(gòu)保護(hù)光敏區(qū)，在N+型Si 環(huán)上引出環(huán)極接到高于前極的電位之上，為表面漏電流提供一條通路，達(dá)到減小流過負(fù)載的暗電流、減小噪聲的目的。該結(jié)構(gòu)不影響期間使用，若環(huán)極懸空，除暗電流噪聲大些，光電二極管的其他性能并不受影響[8]。

P 環(huán)部分與光敏區(qū)重疊相連，這樣可以有效減小暗電流，并且通過提高光敏區(qū)的反向結(jié)電壓，使結(jié)特性更加穩(wěn)定。優(yōu)化后的器件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié) 束 語

通過選用長(zhǎng)壽命、高電阻率的N＜100＞型硅片作為襯底材料，在光敏區(qū)增加增透膜，以及在光敏區(qū)的邊緣注入雜質(zhì)形成P 環(huán)等措施，有效解決了平面擴(kuò)散型PN 結(jié)硅光電二極管在同一工藝條件下流片成品率和一致性較差及產(chǎn)品電參數(shù)不穩(wěn)定的問題。該優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)暗電流小且某特定波段下光靈敏度高，特別對(duì)于受光光源在600耀1500 nm 的紅光和紅外光敏感，在光電探測(cè)器領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景。