光电探测器综述(PD).doc

1、1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 ,CMOSAbstract: In recent years, around the photoelectri

2、c system to carry out the study of all kinds of key technologies, in order to realize high integration, high performance, low power consumption and low cost of photoelectric detector (Photodetector) and optoelectronic integrated circuit (OEIC) has become a major new challenge. Especially high respon

3、se speed ，high quantum efficiency, and low dark current high-performance photodetector, is not only the needs for development of optical communication technology, but also realize the needs for silicon-based optoelectronic integrated,has the very high research value. This paper reviews the developme

4、nt of different characteristics and results of photodetector for the past decade, and discusses the photodetector development direction in the next few years,the study of high performance photoelectric detector, the structure, and related technology, manufacturing, has very important practical signi

5、ficance.Key Word: 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

6、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2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、光电探测器必须和辐

7、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。 、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，6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

8、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

9、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

10、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

11、 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

12、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 c 为 c=hc/Eg=1.24/Eg ( m) 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、 P

13、bSe 等 ;在 长 于 8 微 米 波 段 有 : Te、 Si 掺 杂 、 Ge 掺 杂 等 ；CdS、 CdSe、 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

14、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 ， 它 表 示 器 件 对 光 照 反 应 速 度 的 大 小 。7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 。 也 有 按 光 电 流 下 降 到 最 大 值 的 10%计 算 的 ;各 种 光 敏 电阻 的 时 间 常 数 差 别 很 大 。 CdS 的 时 间 常 数 比

15、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 Si光 电 探 测 器 的 发 展 更 是 取 得 了 瞩

16、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

17、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 Access Articles 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

18、 电 探 测 器 和 空 间 调 制 探 测 器 。 其 中 ， 响 应 度 高 响 应 速 度 快 的 PIN 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PIN 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

19、 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

20、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

21、 于 标 准 8CMOS 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

22、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 m， 所 以 N 阱 区 域 产 生 的 光 生 载 流

23、 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 m 标 准 CMOS 工 艺 下 ，入 射 光 波

24、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 3.5 MHz， 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

25、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 ，

26、 并 且 在 标 准 CMOS 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 。9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

27、 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

28、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 ，

29、 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

30、 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 。10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

31、 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

32、 。 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

33、 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

34、 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，11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

35、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。N + N +N +P - s u b s t r a t eP w e l lP + P +图 2-4 N+/PWELL 光电探测器2、P/NWELL/P-SUB CMOS 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

36、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

37、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。P +P + P +P +P - s u b s t r a t eN w e l lN +P +N +M e t a l 1G N D G N Dc a t h o d e c a t h o d ea n o d ea n o d e a n o d e图 2-5 P /NWELL/P-SUB CMOS 双光电探测器3、差分光电探测器12基于 P+/NWELL 型 PN 结的全差分光电探测器，其结

38、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。P +P +P + P +P - s u b s t r a t eN w e l lP +M e t a l 1N +N +N w e l l图 2-6 基于 P+/NWELL 型 PN 结的全差分光电探测器2

39、.3 谐振腔增强型光电探测器（1） 、PIN RCE 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 1.55m 左右，由 Dentai 等人报道了的 InGaAs / InGaAs / InP 结构的 RCE PIN 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

40、.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13（2） 、RCE 肖特基(Schottky)光电探测器RCE Schottky 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 l00GHz37，其采用的谐振腔结构

41、。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（2050GHz） 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

42、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

43、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 CMOS RCE 光电探测器普通的 RCE 光电探测器利用 VCSEL 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%。14图 2-8 基于 SOI CMOS

44、 工艺的 RCE 光电探测器的基本结构P +P + P +P +S i 膜P - s u b s t r a t eN w e l lN +P +N +图 2-9 SOI 基 CMOS RCE 光电探测器的结构SOI 基 CMOS RCE 光探测器的 DBR 顶镜反射镜采用 Si-SiO2 组成，底部反射镜由材料本身的埋氧化层厚度决定，PN 结的耗尽区作为器件的吸收层，来设计850nm 通信波段的 RCE 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

45、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15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、

46、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 RCE 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, Simulation and Design of a CMOS-Process-Compatible High-Speed Si-Photodetector, CHINESE JOURNAL OF SEMICONDUCTORS Feb., 20022 Daniel Durini ,Photodetector Structu

47、res for Standard CMOS Imaging Applications,2007,123 Sunil S. Konanki and Fred R. Beyette Jr，“Characterization and Performance Evaluation of CMOS Based Photodetectors ”, Submitted to IEEE，at 20004 胡红光 一种光电探测器电路的设计 2000.65 G. N Lu, P. Pittet, G. Carrillo andA. El Mourabit, On-Chip Synchronous Detectio

48、n for CMOS Photodetector,2002,6 LEI Xiao quan , Simulation and Measurement of MS/RF CMOS2Compatible Photodetectors, Journal of OptoelectronicsLaser,Vol.17 No.12 Dec.20067 H. Zimmermann, Integrated High-Speed, High-Sensitivity Photodiodes andOptoelectronic Integrated Circuits, Sensors and Materials,

49、2001, 13(4):1892068 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，2002，23（2）: 1931979 Coppee, D., Pan, W., Vounchx, R., et al. The spatially modulated light detector,Optical Fiber Communication Conference and Exhibit, OFC 98., Technical Digest,1998: 31531610 J. Genoe, D. Coppee, J.H.Stiens, et al. Caculation of the current response ofthe spatially modulated light CMOS detectors, IEEE Trans. Electron Device, 2001,48(9):1892190211 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)：432435 EI: 20092112091