探測(cè)器暗電流綜述報(bào)告.

1、暗電流形成及其穩(wěn)定性分析綜述報(bào)告目錄光電探測(cè)器基本原理 .21.1 PIN 光探測(cè)器的工作原理 .21.2 雪崩光電二極管工作原理 .3暗電流的形成及其影響因素 .42.1 暗電流摻雜濃度的影響 .42.1.2復(fù)合電流特性 .52.1.3表面復(fù)合電流特性 .52.1.4歐姆電流特性 .52.1.5隧道電流特性 .62.2結(jié)面積和壓焊區(qū)尺寸對(duì)探測(cè)器暗電流的影響. 82.3腐蝕速率和表面鈍化工藝對(duì)探測(cè)器暗電流的影響. 102.4溫度特性對(duì)暗電流影響 .11暗電流穩(wěn)定性分析小結(jié) .12參考文獻(xiàn) .13光探測(cè)器芯片處于反向偏置時(shí)，在沒(méi)有光照的條件下也會(huì)有微弱的光電流，被稱為暗電流，產(chǎn)生暗電流的機(jī)制有很

2、多，主要包括表面漏電流、反向擴(kuò)散電流、產(chǎn)生復(fù)合電流、隧穿電流和歐姆電流。 。本文就將介紹光電探測(cè)器暗電流形成及其穩(wěn)定性分析，并介紹了一些提高穩(wěn)定性的方案，討論它們的優(yōu)勢(shì)與存在的問(wèn)題。光電探測(cè)器基本原理光電檢測(cè)是將檢測(cè)的物理信息用光輻射信號(hào)承載 , 檢測(cè)光信號(hào)的變化 , 通過(guò)信號(hào)處理變換 , 得到檢測(cè)信息。光學(xué)檢測(cè)主要應(yīng)用在高分辨率測(cè)量、非破壞性分析、高速檢測(cè)、精密分析等領(lǐng)域 , 在非接觸式、非破壞、高速、精密檢測(cè)方面具有其他方法無(wú)比擬的。因此 , 光電檢測(cè)技術(shù)是現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)最重要的手段和方法之一 , 是計(jì)量檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。1.1 PIN 光探測(cè)器的工作原理在 PD的 PN結(jié)間加入一

3、層本征（或輕摻雜）半導(dǎo)體材料（ I 區(qū)），就可增大耗盡區(qū)的寬度，減小擴(kuò)散作用的影響，提高響應(yīng)速度。由于 I 區(qū)的材料近似為本征半導(dǎo)體，因此這種結(jié)構(gòu)稱為 PIN 光探測(cè)器。圖（ a）給出了 PIN 光探測(cè)器的結(jié)構(gòu)和反向偏壓時(shí)的場(chǎng)分布圖。 I 區(qū)的材料具有高阻抗特性，使電壓基本落在該區(qū)，從而在 PIN 光探測(cè)器內(nèi)部存在一個(gè)高電場(chǎng)區(qū)，即將耗盡層擴(kuò)展到了整個(gè) I 區(qū)控制 I 區(qū)的寬度可以控制耗盡層的寬度。PIN 光探測(cè)器通過(guò)加入中間層，減小了擴(kuò)散分量對(duì)其響應(yīng)速度的影響，但過(guò)大的耗盡區(qū)寬度將使載流子通過(guò)耗盡區(qū)的漂移時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致響應(yīng)速度變慢，因此要根據(jù)實(shí)際情況折中選取 I 層的材料厚度。1.2 雪崩光電

4、二極管工作原理雪崩光電二極管 , 具有增益高固有增益可達(dá), 靈敏度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn) , 因而可用于檢測(cè)高速調(diào)制的脈沖位置調(diào)制光信號(hào)。雪崩光電二極管是利用雪崩倍增效應(yīng)而具有內(nèi)增益的光電二極管 , 它的工作過(guò)程是在光電二極管的一結(jié)上加一相當(dāng)高的反向偏壓 , 使結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng) , 當(dāng)光激發(fā)的載流子或熱激發(fā)的栽流子進(jìn)入結(jié)區(qū)后 , 在強(qiáng)電場(chǎng)的加速下獲得很大的能量 , 與晶格原子碰撞而使晶格原子發(fā)生電離 , 產(chǎn)生新的電子一空穴對(duì) , 新產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)在向電極運(yùn)動(dòng)過(guò)程中又獲得足夠能量 , 再次與晶格原子碰撞 , 這時(shí)又產(chǎn)生新的電子一空穴對(duì) , 這一過(guò)程不斷重復(fù) , 使一結(jié)內(nèi)電流急劇倍增 ,

5、這種現(xiàn)象稱為雪崩倍增。雪崩光電二極管就是利用這種效應(yīng)而具有光電流的放大作用。為保證載流子在整個(gè)光敏區(qū)的均勻倍增 , 必須采用摻雜濃度均勻并且缺陷少的襯底材料 , 同時(shí)在結(jié)構(gòu)上采用“保護(hù)環(huán)” , 其作用是增加高阻區(qū)寬度 , 減小表面漏電流避免邊緣過(guò)早擊穿 ,所以有保護(hù)環(huán)的APD，有時(shí)也稱為保護(hù)環(huán)雪崩光電二極管。雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖幾種雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu) , 圖中（ a）是 P 型 N+結(jié)構(gòu) , 它是以型硅材料做基片 , 擴(kuò)散五價(jià)元素磷而形成重?fù)诫s十型層 , 并在與十區(qū)間通過(guò)擴(kuò)散形成輕摻雜高阻型硅 , 作為保護(hù)環(huán) , 使一結(jié)區(qū)變寬 , 呈現(xiàn)高阻。圖 (b) 是 p-i-n 結(jié)構(gòu) , 為高阻型

6、硅 , 作為保護(hù)環(huán) , 同樣用來(lái)防止表面漏電和邊緣過(guò)早擊穿。圖表示一種新的達(dá)通型雪崩光電二極管記作結(jié)構(gòu) , 二為高阻型硅 , 本圖的右邊畫出了不同區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)分市情況 , 其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是把耗盡層分高電場(chǎng)倍增區(qū)和低電場(chǎng)漂移區(qū)。圖 (c) 中, 區(qū)為高電場(chǎng)雪崩倍增區(qū) , 而幣義為低電場(chǎng)漂移區(qū)。器件在工作時(shí) , 反向偏置電壓使耗盡層從 一結(jié)一直擴(kuò)散到二一邊界。當(dāng)光照射時(shí) , 漂移區(qū)產(chǎn)生的光生載流子電子在電場(chǎng)中漂移到高電場(chǎng)區(qū) , 發(fā)生雪崩倍增 , 從而得到較高的內(nèi)部增益 , 耗盡區(qū)很寬 , 能吸收大多數(shù)的光子 , 所以量子效率也高 , 另外 , 達(dá)通型雪崩光電二極管還具有更高的響應(yīng)速度和更低的噪聲。暗

7、電流的形成及其影響因素探測(cè)器暗電流由五部分部分構(gòu)成 : 擴(kuò)散電流、產(chǎn)生復(fù)合電流、歐姆電流 、表面復(fù)合電流和隧道電流。載流子濃度對(duì)器件的暗電流影響：在反向偏置低壓時(shí)探測(cè)器的暗電流主要由產(chǎn)生復(fù)合電流構(gòu)成 , 偏壓再增大時(shí) , 帶與帶間隧道電流對(duì)暗電流的貢獻(xiàn)起主要作用 , 且光吸收層的載流子濃度對(duì)器件的暗電流有很大的影響。結(jié)面積和壓焊區(qū)尺寸對(duì)探測(cè)器暗電流影響：電極壓焊區(qū)的大小及位置相關(guān)的表面漏電對(duì)探測(cè)器暗電流的影響不大, 結(jié)區(qū)暗電流仍為器件暗電流的主要分量。腐蝕速率和鈍化技術(shù)對(duì)暗電流影響：腐蝕臺(tái)面時(shí)腐蝕速率稍大 , 側(cè)向鉆蝕較明顯 , 這會(huì)影響鈍化層的淀積 , 使部分有源區(qū)側(cè)壁沒(méi)有覆蓋到鈍化層 ,

8、而磁控濺射制作電極時(shí) , 金屬與這些沒(méi)有受到鈍化保護(hù)的有源區(qū)形成肖特基勢(shì)壘。肖特基勢(shì)壘的電流輸運(yùn)機(jī)制很多 , 其中一種機(jī)制是吸收層中含有許多位錯(cuò)缺陷 ,這些位錯(cuò)缺陷會(huì)協(xié)助載流子通過(guò)隧穿方式穿越勢(shì)壘而到達(dá)金屬 , 其電流表達(dá)式近似為 I =Is exp( V)。溫度特性對(duì)暗電流影響：零偏時(shí) , 光電流在 20以下隨著溫度的上升而變大 , 符合相關(guān)理論 ; 但是 , 溫度高于 20后 , 光電流隨溫度增加的變化很小 , 甚至在升溫時(shí)電流值略有下降。2.1 暗電流摻雜濃度的影響在忽略其他因素的條件下 , 雙異質(zhì)結(jié) In0.53Ga0.47As 探測(cè)器暗電流由四部分構(gòu)成 : 擴(kuò)散電流、產(chǎn)生復(fù)合電流、歐

9、姆電流 、表面復(fù)合電流和隧道電流。2.1.1 擴(kuò)散電流特性擴(kuò)散電流起源于耗盡區(qū)邊緣 p 區(qū)和 n 區(qū)熱激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子向耗盡層的擴(kuò)散。這里所模擬的器件是基于我們實(shí)際研制的 p+-i-n+ 異質(zhì)結(jié)臺(tái)面結(jié)構(gòu) ,p 區(qū)為重?fù)诫s InP 層 ,InP 材料 ni 較小 , 擴(kuò)散電流與 n2i 成正比 , 所以 ,p 區(qū)向耗盡層的擴(kuò)散電流可忽略不計(jì) , 在此 , 只考慮 In0.53Ga0.47As 層向耗盡層的擴(kuò)散電流。表達(dá)式如下 :式中 :ni為本征載流子濃度 ,Dp 為 i 區(qū)中空穴擴(kuò)散系數(shù) , p 為 i 區(qū)中空穴的壽命 ,Nd 為 i 區(qū)的摻雜濃度 ,A 是耗盡層與 p 區(qū)和 i 區(qū)的接觸

10、面積 ,V 為探測(cè)器所加偏壓。2.1.2 復(fù)合電流特性產(chǎn)生復(fù)合電流起源于勢(shì)壘區(qū)熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子在電場(chǎng)作用下向勢(shì)壘區(qū)兩邊的漂移運(yùn)動(dòng) , 如式 (2) 所示 :式中 :q 為電子電量 , eff 是有效載流子壽命 , W 為耗盡層寬度 ,W=2 j(Vb+ V)/ qNd 1/2, j 為 i 層 介 電 常 數(shù) , Vb 為 內(nèi) 建 電 勢(shì) 差 , Vb=(kT/ q)In(Pp0/Pn0),Pp0 為 p 區(qū)空穴濃度 ,Pn0 為 n 區(qū)空穴濃度。2.1.3 表面復(fù)合電流特性表面復(fù)合電流是由于器件表面的熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子在電場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的表達(dá)式如下所示 :式中 :S 為表面復(fù)合速度

11、。由式 (3) 可以看出 Is 與 ni 成正比 ,ni 又與 exp(-Eg/2kT) 成正比 ,Eg 為材料禁帶寬度。所以一般在器件結(jié)構(gòu)中采用寬禁帶的半導(dǎo)體層來(lái)制作帽層以減小表面暗電流。2.1.4 歐姆電流特性歐姆電流表達(dá)式為式中 ,Reff 為有效電阻 ,Ro 為理想的異質(zhì)結(jié)阻抗 ,Rs 是由表面漏電流引起的并聯(lián)電阻 , Rd 由有源區(qū)的位錯(cuò)引起的并聯(lián)電阻2.1.5 隧道電流特性隧道電流主要起源于載流子穿過(guò)禁帶的隧道效應(yīng) , 電壓較高時(shí)將決定探測(cè)器的暗電流。隧道電流分為帶與帶間隧道電流和缺陷隧道電流如式 (4),(5) 所示 :, 隧道電流 , 分別參數(shù) 決定于 隧穿 載流 子的 始態(tài)與

12、 終態(tài) , 對(duì) 于帶與帶間 隧道電 流 , =(2 meEg)1/2 q3 EmV/4 2 2,me 是 InGaAs 導(dǎo) 帶 電 子 的 有效 質(zhì)量 , 對(duì) 于 In0.53Ga0.47As 材料 ,me= 0.034 m0,m0 是電子靜止質(zhì)量 ,Eg 為 In0.53Ga0.47As 禁帶寬度 ,Em 是耗盡層電場(chǎng)強(qiáng)度 ,Em= 2(V+ Vb)/ W, = (2 me/ m0)1/2, 決定于隧穿勢(shì)壘的具體形狀 ,C1、C2 為隧穿常數(shù) ,Et 為缺陷隧穿勢(shì)壘。其中 eff, ,S,C1,C2 為可調(diào)參數(shù)。我們以擴(kuò)散電流 , 產(chǎn)生復(fù)合電流、表面復(fù)合電流和隧道電流來(lái)模擬計(jì)算探測(cè)器 ( 結(jié)

13、構(gòu)與實(shí)測(cè)器件結(jié)構(gòu)相同 ) 在反向偏壓下的暗電流。計(jì)算中所用到的參數(shù)數(shù)值在表 1 中列出。模擬結(jié)果如圖 1 所示：圖 1 暗電流分量隨反向偏壓變化的模擬結(jié)果實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及其與模擬結(jié)果的比較如圖 2 所示 , 由圖 2 可以看出 , 模擬結(jié)果較好地反映了實(shí)測(cè)結(jié)果的變化趨勢(shì)。說(shuō)明 In0.53Ga0.47As 探測(cè)器在反向偏壓下的暗電流特性。分析圖中曲線可以發(fā)現(xiàn) ,In0.53Ga0.47As 探測(cè)器暗電流隨反向偏壓變化有幾個(gè)明顯不同的區(qū)域。綜合以上分析可以看出 , 對(duì) In0.53Ga0.47As 探測(cè)器 , 在反向偏置低壓時(shí)探測(cè)器的暗電流主要由產(chǎn)生復(fù)合電流構(gòu)成 , 偏壓再增大時(shí) , 帶與帶間隧道電流

14、對(duì)暗電流的貢獻(xiàn)起主要作用 , 且 In0.53Ga0.47As 光吸收層的載流子濃度對(duì)器件的暗電流有很大的影響。此外由于材料及器件參數(shù)受生長(zhǎng)條件 , 工藝處理等因素的影響 , 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果仍存在著一定偏差。2.2 結(jié)面積和壓焊區(qū)尺寸對(duì)探測(cè)器暗電流的影響為分析探測(cè)器的結(jié)面積對(duì) In0.53Ga0.47As PIN ·343·探測(cè)器反向偏壓下的暗電流的影響 , 我們制作了 3 種不同結(jié)面積 ( 直徑分別為 50m,100m,150 m)的 In0.53Ga0.47As PIN 臺(tái)面探測(cè)器 ,i 層摻雜濃度為 5× 1016 cm- 3, 并分別測(cè)量了三者在室溫

15、(293 K) 反向偏置下的 I-V 特性 , 如圖 3 所示。由圖可看出 ,結(jié)面積越大 , 探測(cè)器反向偏壓下的暗電流越大 , 這與預(yù)期相符。在反向偏壓為 5 V 時(shí) , 結(jié)面直徑為 50 m的器件暗電流為 4.02 × 10- 9 A, 結(jié)面直徑為 100m的器件暗電流為 1.1 × 10- 8 A, 結(jié)面直徑為 150m的器件暗電流為 3.25 × 10-8 A 。在反向偏壓為 20 V 時(shí), 結(jié)面直徑為 50m的器件暗電流為 8.5 ×10- 7 A,結(jié)面直徑為 100m的器件暗電流為 2.54 ×10- 7 A, 結(jié)面直徑為 150m的

16、器件暗電流為 7.13 × 10- 7 A 。三者存在著一定的比例關(guān)系 , 在反向偏壓為 5 V 時(shí)三者比例為 12.7 8.1, 在反向偏壓為 20 V 時(shí), 三者的比例為 12.9 8.39, 與其結(jié)面積之比 1 4 9 有較好的相關(guān)性 , 這說(shuō)明對(duì)我們的器件結(jié)區(qū)的暗電流在總暗電流中仍起主要作用 , 但表面和壓焊電極的漏電也有一定影響。本節(jié)從理論和實(shí)驗(yàn)上分析了 In0.53Ga0.47As/InP 探測(cè)器在不同摻雜濃度及反向偏壓下的暗電流特性 , 結(jié)果表明在低偏壓處產(chǎn)生復(fù)合電流起主要作用 , 偏壓增大時(shí) , 隧道電流對(duì)探測(cè)器暗電流的貢獻(xiàn)起主要作用, 且 In0.53Ga0.47A

17、s 層的載流子濃度對(duì)探測(cè)器反向偏壓下暗電流有很大的影響 , 當(dāng)載流子濃度由 5× 1016 cm- 3 減小到 5× 1015 cm- 3 時(shí),10 V 偏壓下的暗電流約減小 3 倍。此外 , 本文通過(guò)對(duì)器件結(jié)面積和壓焊電極尺寸對(duì) In0.53Ga0.47As 探測(cè)器反向偏壓下暗電流影響的探討表明 , 與電極壓焊區(qū)的大小及位置相關(guān)的表面漏電對(duì)探測(cè)器暗電流的影響不大 , 結(jié)區(qū)暗電流仍為器件暗電流的主要分量。2.3 腐蝕速率和表面鈍化工藝對(duì)探測(cè)器暗電流的影響樣品 A 、 B 和C 的有效電阻 Reff 分別為 0 .14 、0 .32 和0 .36 M , 依次遞增 , 這大體

18、上能夠反映材料內(nèi)部的性能。與上述結(jié)論類似 , 數(shù)字遞變超晶格 DGS L1 能夠減少吸收層中的位錯(cuò) , InP 緩沖層能減小襯底缺陷對(duì)吸收層的影響 , 從而使整個(gè)樣品的體電阻逐漸變大。另外從有效電阻數(shù)值上還可以判斷并聯(lián)電阻 R s 和Rd 對(duì)總電阻的貢獻(xiàn)較大 , 而這又增加了器件的歐姆電流 , 導(dǎo)致暗電流偏大。因此 , 為了減少暗電流 , 需要在材料生長(zhǎng)和器件制作中加以改進(jìn)。另外 , 樣品 C 中還出現(xiàn)了一個(gè)較大的電流分量 IM-S , 模擬的結(jié)果顯示該電流分量表達(dá)式近似為 I M-S= ×exp( V), 其中 =0 .17 , =3 .43 。此電流產(chǎn)生的可能原因是該樣品在 H3

19、 PO4/ H2 O2 腐蝕臺(tái)面時(shí)腐蝕速率稍大 , 側(cè)向鉆蝕較明顯 , 這會(huì)影響鈍化層的淀積 , 使部分有源區(qū)側(cè)壁沒(méi)有覆蓋到鈍化層 , 而磁控濺射制作電極時(shí) , 金屬與這些沒(méi)有受到鈍化保護(hù)的有源區(qū)形成肖特基勢(shì)壘。肖特基勢(shì)壘的電流輸運(yùn)機(jī)制很多 , 其中一種機(jī)制是吸收層中含有許多位錯(cuò)缺陷 , 這些位錯(cuò)缺陷會(huì)協(xié)助載流子通過(guò)隧穿方式穿越勢(shì)壘而到達(dá)金屬 , 其電流表達(dá)式近似為 I =Is exp( V) 。為了減少這類電流 , 需要進(jìn)一步穩(wěn)定腐蝕速率和提高鈍化技術(shù)。本節(jié)小結(jié)： PIN 探測(cè)器在室溫下的暗電流特性。結(jié)果表明在零偏壓附近暗電流主要為反向擴(kuò)散電流 , 隨著電壓增加 , 產(chǎn)生復(fù)合電流、歐姆電流貢

20、獻(xiàn)逐漸增加。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)在 InAlAs/InGaAs 異質(zhì)界面處的數(shù)字遞變超晶格和外延初始生長(zhǎng)的 InP 緩沖層能夠有效地改善探測(cè)器的性能。此外為了進(jìn)一步減小該類探測(cè)器工作在小偏壓下的暗電流 , 還需要優(yōu)化緩沖層和界面結(jié)構(gòu)以進(jìn)一步提高材料生長(zhǎng)質(zhì)量以及改善芯片制作中的表面鈍化工藝。2.4 溫度特性對(duì)暗電流影響圖 3 表明 : 零偏時(shí) , 光電流在 20以下隨著溫度的上升而變大 , 符合相關(guān)理論 ; 但是 , 溫度高于 20后 , 光電流隨溫度增加的變化很小 , 甚至在升溫時(shí)電流值略有下降。對(duì)于這一情況可作如下分析 :在非理想情況下 , 光電轉(zhuǎn)換 pn 結(jié)的伏安特性可以描述為：其中 :Iph 表

21、示光生電流 ;Rs 表示 pn 結(jié)串聯(lián)體電阻 ( 由體電阻、電極接觸電阻和電極材料本身電阻構(gòu)成 );Rsh 表示旁路電阻 ;I0 表示 pn 結(jié)反向飽和電流 ;q 表示電子電荷 ;K 表示玻耳茲曼常數(shù) ;T 表示絕對(duì)溫度。為簡(jiǎn)化問(wèn)題 , 設(shè) Rs= Rsh。外加偏壓 VR= 0時(shí), 式(1) 變?yōu)椋簣D 3 中,IL-T 曲線可用式 (4) 進(jìn)行解釋。溫度上升會(huì)使半導(dǎo)體材料帶隙變窄 , 可能導(dǎo)致 Voc 下降 2 。 Rs主要是高阻區(qū) ( 低摻雜區(qū) ) 體串聯(lián)電阻 , 在溫度較低時(shí) , 低摻雜區(qū)存在較嚴(yán)重的載流子凍結(jié)效應(yīng) 1, 使材料電導(dǎo)率減小 , 電阻率或體電阻增加。在 -50 + 20 內(nèi)

22、, 載流子凍結(jié)效應(yīng)隨著溫度的升高迅速減輕或消除 , 即 Rs 由低溫時(shí)的較大值逐漸減小 , 此時(shí) Rs 的減小相對(duì) Voc 的減小起主導(dǎo)作用 , 導(dǎo)致 IL 上升。在 20 50 內(nèi)載流子凍結(jié)效應(yīng)已基本消除 , 隨著溫度的升高 Rs 變化很小 ,Voc 減小起主導(dǎo)作用 , 從而導(dǎo)致 IL 值基本不變或者略有下降。由于整機(jī)使用的工作條件在 -10 + 50 , 而在室溫附近這一范圍內(nèi) , 圖 3 光電流的變化幅度足夠小 (< 10%), 因此符合使用要求。暗電流穩(wěn)定性分析小結(jié)摻雜濃度、結(jié)面積、壓焊區(qū)尺寸、溫度、腐蝕速率和鈍化技術(shù)等都會(huì)對(duì)探測(cè)器的暗電流穩(wěn)定性的影響。要減小暗電流提高暗電流的穩(wěn)定性 , 少子壽命和材料摻雜濃度應(yīng)適當(dāng)提高 , 但過(guò)高的摻雜濃度會(huì)使器件的反壓過(guò)低 , 還會(huì)影響響應(yīng)速度和光靈敏度 ,