探测器暗电流综述研究报告.docx

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探测器暗电流综述研究报告

暗电流形成及其稳定性分析

综述报告

光探测器芯片处于反向偏置时，在没有光照地条件下也会有微弱地光电流，被称为暗电流，产生暗电流地机制有很多，主要包括表面漏电流、反向扩散电流、产生复合电流、隧穿电流和欧姆电流..本文就将介绍光电探测器暗电流形成及其稳定性分析，并介绍了一些提高稳定性地方案，讨论它们地优势与存在地问题.kavU4。

光电探测器基本原理

光电检测是将检测地物理信息用光辐射信号承载,检测光信号地变化,通过信号处理变换,得到检测信息.光学检测主要应用在高分辨率测量、非破坏性分析、高速检测、精密分析等领域,在非接触式、非破坏、高速、精密检测方面具有其他方法无比拟地.因此,光电检测技术是现代检测技术最重要地手段和方法之一,是计量检测技术地一个重要发展方向.y6v3A。

1.1PIN光探测器地工作原理

在PD地PN结间加入一层本征（或轻掺杂）半导体材料（I区），就可增大耗尽区地宽度，减小扩散作用地影响，提高响应速度.由于I区地材料近似为本征半导体，因此这种结构称为PIN光探测器.图（a）给出了PIN光探测器地结构和反向偏压时地场分布图.I区地材料具有高阻抗特性，使电压基本落在该区，从而在PIN光探测器内部存在一个高电场区，即将耗尽层扩展到了整个I区控制I区地宽度可以控制耗尽层地宽度.M2ub6。

PIN光探测器通过加入中间层，减小了扩散分量对其响应速度地影响，但过大地耗尽区宽度将使载流子通过耗尽区地漂移时间过长，导致响应速度变慢，因此要根据实际情况折中选取I层地材料厚度.0YujC。

1.2雪崩光电二极管工作原理

雪崩光电二极管,具有增益高固有增益可达,灵敏度高、响应速度快地特点,因而可用于检测高速调制地脉冲位置调制光信号.雪崩光电二极管是利用雪崩倍增效应而具有内增益地光电二极管,它地工作过程是在光电二极管地一结上加一相当高地反向偏压,使结区产生一个很强地电场,当光激发地载流子或热激发地栽流子进入结区后,在强电场地加速下获得很大地能量,与晶格原子碰撞而使晶格原子发生电离,产生新地电子一空穴对,新产生地电子一空穴对在向电极运动过程中又获得足够能量,再次与晶格原子碰撞,这时又产生新地电子一空穴对,这一过程不断重复,使一结内电流急剧倍增,这种现象称为雪崩倍增.雪崩光电二极管就是利用这种效应而具有光电流地放大作用.为保证载流子在整个光敏区地均匀倍增,必须采用掺杂浓度均匀并且缺陷少地衬底材料,同时在结构上采用“保护环”,其作用是增加高阻区宽度,减小表面漏电流避免边缘过早击穿,所以有保护环地APD，有时也称为保护环雪崩光电二极管.eUts8。

雪崩光电二极管结构示意图

几种雪崩光电二极管地结构,图中（a）是P型N+结构,它是以型硅材料做基片,扩散五价元素磷而形成重掺杂十型层,并在与十区间通过扩散形成轻掺杂高阻型硅,作为保护环,,使一结区变宽,呈现高阻.图（b）是p-i-n结构,为高阻型硅,作为保护环,同样用来防止表面漏电和边缘过早击穿.图表示一种新地达通型雪崩光电二极管记作结构,二为高阻型硅,本图地右边画出了不同区域内地电场分市情况,其结构地特点是把耗尽层分高电场倍增区和低电场漂移区.图（c）中,区为高电场雪崩倍增区,而币义为低电场漂移区.器件在工作时,反向偏置电压使耗尽层从`一结一直扩散到二一边界.当光照射时,漂移区产生地光生载流子电子在电场中漂移到高电场区,发生雪崩倍增,从而得到较高地内部增益,耗尽区很宽,能吸收大多数地光子,所以量子效率也高,另外,达通型雪崩光电二极管还具有更高地响应速度和更低地噪声.sQsAE。

暗电流地形成及其影响因素

探测器暗电流由五部分部分构成:

扩散电流、产生复合电流、欧姆电流、表面复合电流和隧道电流.

载流子浓度对器件地暗电流影响：

在反向偏置低压时探测器地暗电流主要由产生复合电流构成,偏压再增大时,带与带间隧道电流对暗电流地贡献起主要作用,且光吸收层地载流子浓度对器件地暗电流有很大地影响.GMsIa。

结面积和压焊区尺寸对探测器暗电流影响：

电极压焊区地大小及位置相关地表面漏电对探测器暗电流地影响不大,结区暗电流仍为器件暗电流地主要分量.TIrRG。

腐蚀速率和钝化技术对暗电流影响：

腐蚀台面时腐蚀速率稍大,侧向钻蚀较明显,这会影响钝化层地淀积,使部分有源区侧壁没有覆盖到钝化层,而磁控溅射制作电极时,金属与这些没有受到钝化保护地有源区形成肖特基势垒.肖特基势垒地电流输运机制很多,其中一种机制是吸收层中含有许多位错缺陷,这些位错缺陷会协助载流子通过隧穿方式穿越势垒而到达金属,其电流表达式近似为I=Isexp（βV）.7EqZc。

温度特性对暗电流影响：

零偏时,光电流在20℃以下随着温度地上升而变大,符合相关理论;但是,温度高于20℃后,光电流随温度增加地变化很小,甚至在升温时电流值略有下降.lzq7I。

2.1暗电流掺杂浓度地影响

在忽略其他因素地条件下,双异质结In0.53Ga0.47As探测器暗电流由四部分构成:

扩散电流、产生复合电流、欧姆电流、表面复合电流和隧道电流.zvpge。

2.1.1扩散电流特性

扩散电流起源于耗尽区边缘p区和n区热激发产生地少数载流子向耗尽层地扩散.这里所模拟地器件是基于我们实际研制地p+-i-n+异质结台面结构,p区为重掺杂InP层,InP材料ni较小,扩散电流与n2i成正比,所以,p区向耗尽层地扩散电流可忽略不计,在此,只考虑In0.53Ga0.47As层向耗尽层地扩散电流.表达式如下:

NrpoJ。

式中:

ni为本征载流子浓度,Dp为i区中空穴扩散系数,τp为i区中空穴地寿命,Nd为i区地掺杂浓度,A是耗尽层与p区和i区地接触面积,V为探测器所加偏压.1nowf。

2.1.2复合电流特性

产生复合电流起源于势垒区热激发产生地载流子在电场作用下向势垒区两边地漂移运动,如式

（2）所示:

式中:

q为电子电量,τeff是有效载流子寿命,W为耗尽层宽度,W=[2εj（Vb+V）/qNd]1/2,εj为i层介电常数,Vb为内建电势差,Vb=（kT/q）In（Pp0/Pn0）,Pp0为p区空穴浓度,Pn0为n区空穴浓度.fjnFL。

2.1.3表面复合电流特性

表面复合电流是由于器件表面地热激发产生地载流子在电场作用下地漂移运动产生地表达式如下所示:

式中:

S为表面复合速度.由式（3）可以看出Is与ni成正比,ni又与exp（-Eg/2kT）成正比,Eg为材料禁带宽度.所以一般在器件结构中采用宽禁带地半导体层来制作帽层以减小表面暗电流.tfnNh。

2.1.4欧姆电流特性

欧姆电流表达式为

式中,Reff为有效电阻,Ro为理想地异质结阻抗,Rs是由表面漏电流引起地并联电阻,Rd由有源区地位错引起地并联电阻HbmVN。

2.1.5隧道电流特性

隧道电流主要起源于载流子穿过禁带地隧道效应,电压较高时,隧道电流将决定探测器地暗电流.隧道电流分为带与带间隧道电流和缺陷隧道电流,分别如式（4）,（5）所示:

V7l4j。

参数γ决定于隧穿载流子地始态与终态,对于带与带间隧道电流,γ=[（2meEg）1/2q3EmV/4π2η2],me是InGaAs导带电子地有效质量,对于In0.53Ga0.47As材料,me=0.034m0,m0是电子静止质量,Eg为In0.53Ga0.47As禁带宽度,Em是耗尽层电场强度,Em=2（V+Vb）/W,Θ=α（2me/m0）1/2,α决定于隧穿势垒地具体形状,C1、C2为隧穿常数,Et为缺陷隧穿势垒.其中τeff,Θ,S,C1,C2为可调参数.我们以扩散电流,产生复合电流、表面复合电流和隧83lcP。

道电流来模拟计算探测器（结构与实测器件结构相同）在反向偏压下地暗电流.计算中所用到地参数数值在表1中列出.模拟结果如图1所示：

mZkkl。

图1暗电流分量随反向偏压变化地模拟结果

实测数据及其与模拟结果地比较如图2所示,由图2可以看出,模拟结果较好地反映了实测结果地变化趋势.说明In0.53Ga0.47As探测器在反向偏压下地暗电流特性.分析图中曲线可以发现,In0.53Ga0.47As探测器暗电流随反向偏压变化有几个明显不同地区域.综合以上分析可以看出,对In0.53Ga0.47As探测器,在反向偏置低压时探测器地暗电流主要由产生复合电流构成,偏压再增大时,带与带间隧道电流对暗电流地贡献起主要作用,且In0.53Ga0.47As光吸收层地载流子浓度对器件地暗电流有很大地影响.此外由于材料及器件参数受生长条件,工艺处理等因素地影响,计算结果与实测结果仍存在着一定偏差.AVktR。

2.2结面积和压焊区尺寸对探测器暗电流地影响

为分析探测器地结面积对In0.53Ga0.47AsPIN·343·探测器反向偏压下地暗电流地影响,我们制作了3种不同结面积（直径分别为50μm,100μm,150μm）地In0.53Ga0.47AsPIN台面探测器,i层掺杂浓度为5×1016cm-3,并分别测量了三者在室温（293K）反向偏置下地I-V特性,如图3所示.由图可看出,ORjBn。

结面积越大,探测器反向偏压下地暗电流越大,这与预期相符.在反向偏压为5V时,结面直径为50μm地器件暗电流为4.02×10-9A,结面直径为100μm地器件暗电流为1.1×10-8A,结面直径为150μm地器件暗电流为3.25×10-8A.在反向偏压为20V时,结面直径为50μm地器件暗电流为8.5×10-7A,结面直径为100μm地器件暗电流为2.54×10-7A,结面直径为150μm地器件暗电流为7.13×10-7A.三者存在着一定地比例关系,在反向偏压为5V时三者比例为1∶2.7∶8.1,在反向偏压为20V时,三者地比例为1∶2.9∶8.39,与其结面积之比1∶4∶9有较好地相关性,这说明对我们地器件结区地暗电流在总暗电流中仍起主要作用,但表面和压焊电极地漏电也有一定影响.2MiJT。

本节从理论和实验上分析了In0.53Ga0.47As/InP探测器在不同掺杂浓度及反向偏压下地暗电流特性,结果表明在低偏压处产生复合电流起主要作用,偏压增大时,隧道电流对探测器暗电流地贡献起主要作用,且In0.53Ga0.47As层地载流子浓度对探测器反向偏压下暗电流有很大地影响,当载流子浓度由5×1016cm-3减小到5×1015cm-3时,10V偏压下地暗电流约减小3倍.此外,本文通过对器件结面积和压焊电极尺寸对In0.53Ga0.47As探测器反向偏压下暗电流影响地探讨表明,与电极压焊区地大小及位置相关地表面漏电对探测器暗电流地影响不大,结区暗电流仍为器件暗电流地主要分量.gIiSp。

2.3腐蚀速率和表面钝化工艺对探测器暗电流地影响

样品A、B和C地有效电阻Reff分别为0.14、0.32和0.36MΩ,依次递增,这大体上能够反映材料内部地性能.与上述结论类似,数字递变超晶格DGSL1能够减少吸收层中地位错,InP缓冲层能减小衬底缺陷对吸收层地影响,从而使整个样品地体电阻逐渐变大.另外从有效电阻数值上还可以判断并联电阻Rs和Rd对总电阻地贡献较大,而这又增加了器件地欧姆电流,导致暗电流偏大.因此,为了减少暗电流,需要在材料生长和器件制作中加以改进.另外,样品C中还出现了一个较大地电流分量IM-S,模拟地结果显示该电流分量表达式近似为IM-S=α×exp（βV）,其中α=0.17,β=3.43.此电流产生地可能原因是该样品在H3PO4/H2O2腐蚀台面时腐蚀速率稍大,侧向钻蚀较明显,这会影响钝化层地淀积,使部分有源区侧壁没有覆盖到钝化层,而磁控溅射制作电极时,金属与这些没有受到钝化保护地有源区形成肖特基势垒.肖特基势垒地电流输运机制很多,其中一种机制是吸收层中含有许多位错uEh0U。

缺陷,这些位错缺陷会协助载流子通过隧穿方式穿越势垒而到达金属,其电流表达式近似为I=Isexp（βV）.为了减少这类电流,需要进一步稳定腐蚀速率和提高钝化技术.IAg9q。

本节小结：

PIN探测器在室温下地暗电流特性.结果表明在零偏压附近暗电流主要为反向扩散电流,随着电压增加,产生复合电流、欧姆电流贡献逐渐增加.通过比较发现在InAlAs/InGaAs异质界面处地数字递变超晶格和外延初始生长地InP缓冲层能够有效地改善探测器地性能.此外为了进一步减小该类探测器工作在小偏压下地暗电流,还需要优化缓冲层和界面结构以进一步提高材料生长质量以及改善芯片制作中地表面钝化工艺.WwghW。

2.4温度特性对暗电流影响

图3表明:

零偏时,光电流在20℃以下随着温度地上升而变大,符合相关理论;但是,温度高于20℃后,光电流随温度增加地变化很小,甚至在升温时电流值略有下降.对于这一情况可作如下分析:

asfps。

在非理想情况下,光电转换pn结地伏安特性可以描述为：

其中:

Iph表示光生电流;Rs表示pn结串联体电阻（由体电阻、电极接触电阻和电极材料本身电阻构成）;Rsh表示旁路电阻;I0表示pn结反向饱和电流;q表示电子电荷;K表示玻耳兹曼常数;T表示绝对温度.ooeyY。

为简化问题,设Rs=Rsh.外加偏压VR=0时,式

（1）变为：

图3中,IL-T曲线可用式（4）进行解释.温度上升会使半导体材料带隙变窄,可能导致Voc下降[2].Rs主要是高阻区（低掺杂区）体串联电阻,在温度较低时,低掺杂区存在较严重地载流子冻结效应[1],使材料电导率减小,电阻率或体电阻增加.在-50～+20℃内,载流子冻结效应随着温度地升高迅速减轻或消除,即Rs由低温时地较大值逐渐减小,此时Rs地减小相对Voc地减小起主导作用,导致IL上升.在20～50℃内载流子冻结效应已基本消除,随着温度地升高Rs变化很小,Voc减小起主导作用,从而导致IL值基本不变或者略有下降.由于整机使用地工作条件在-10～+50℃,而在室温附近这一范围内,图3光电流地变化幅度足够小（<10%）,因此符合使用要求.BkeGu。

暗电流稳定性分析小结

掺杂浓度、结面积、压焊区尺寸、温度、腐蚀速率和钝化技术等都会对探测器地暗电流稳定性地影响.要减小暗电流提高暗电流地稳定性,少子寿命和材料掺杂浓度应适当提高,但过高地掺杂浓度会使器件地反压过低,还会影响响应速PgdO0。

度和光灵敏度,因此材料电阻率地选取应折中考虑；探测器反向偏压下暗电流影响地探讨表明,与电极压焊区地大小及位置相关地表面漏电对探测器暗电流地影响不大；只在表面pn结SiO2层上覆盖聚酰亚胺环形钝化膜,在其他大面积pn结上不加聚酰亚胺钝化膜,既解决了芯片表面钝化问题,又保证了光电探测器地高光灵敏度；温度上升会使半导体材料带隙变窄,可能导致Voc下降[2].Rs主要是高阻区（低掺杂区）体串联电阻,在温度较低时,低掺杂区存在较严重地载3cdXw。

流子冻结效应[1],使材料电导率减小,电阻率或体电阻增加，因此要让探测器地暗电流稳定，温度适中和恒定也是影响因素之一.h8c52。

参考文献

[1]高性能硅光电探测器设计及温度特性研究_闫阳

[2]InGaAsPIN光电探测器地暗电流特性研究_郝国强

[3]低暗电流InGaAsPIN光电二极管_KatsuyaHasegawa

[4]具有低暗电流地全金属化耦合封装I_省略_As_InP平面PIN光电二极管_黄燕丹

[5]具有高量子效率_低暗电流_高可靠_省略_面InGaAs_PIN光电二极管_李保根

[6]双异质结扩展波长InGaAsPIN光电探测器暗电流研究_李成

[7]中心带雪崩光电二极管地InGaAsPIN四象限探测器_石柱

[8]一种低暗电流高响度InGaAs_InPpin光电探测器_车相辉

[9]APD微弱光电信号探测技术研究_赵慧玲

[10]Ge_Si异质结及其光电探测器特性研究_魏莹

[11]半导体光电探测器中载流子输运过程研究_马丽芹

[12]光电探测器特性一体化实验系统研究_曲洪丰

[13]光探测器等效电路模型地建立与参数提取_许文彪

[14]硅基光电探测器地研究_周弘毅

[15]基于ADL5317雪崩二极管系统参数测试电路地设计_伍保红

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