探測器暗電流綜述報告.

1、暗電流形成及其穩(wěn)定性分析綜述報告目錄光電探測器基本原理 .21.1 PIN 光探測器的工作原理 .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)尺寸對探測器暗電流的影響. 82.3腐蝕速率和表面鈍化工藝對探測器暗電流的影響. 102.4溫度特性對暗電流影響 .11暗電流穩(wěn)定性分析小結(jié) .12參考文獻(xiàn) .13光探測器芯片處于反向偏置時，在沒有光照的條件下也會有微弱的光電流，被稱為暗電流，產(chǎn)生暗電流的機制有很

2、多，主要包括表面漏電流、反向擴散電流、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)勢與存在的問題。光電探測器基本原理光電檢測是將檢測的物理信息用光輻射信號承載 , 檢測光信號的變化 , 通過信號處理變換 , 得到檢測信息。光學(xué)檢測主要應(yīng)用在高分辨率測量、非破壞性分析、高速檢測、精密分析等領(lǐng)域 , 在非接觸式、非破壞、高速、精密檢測方面具有其他方法無比擬的。因此 , 光電檢測技術(shù)是現(xiàn)代檢測技術(shù)最重要的手段和方法之一 , 是計量檢測技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。1.1 PIN 光探測器的工作原理在 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 光探測器。圖（ a）給出了 PIN 光探測器的結(jié)構(gòu)和反向偏壓時的場分布圖。 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 光探測器內(nèi)部存在一個高電場區(qū)，即將耗盡層擴展到了整個 I 區(qū)控制 I 區(qū)的寬度可以控制耗盡層的寬度。PIN 光探測器通過加入中間層，減小了擴散分量對其響應(yīng)速度的影響，但過大的耗盡區(qū)寬度將使載流子通過耗盡區(qū)的漂移時間過長，導(dǎo)致響應(yīng)速度變慢，因此要根據(jù)實際情況折中選取 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 , 因而可用于檢測高速調(diào)制的脈沖位置調(diào)制光信號。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)生一個很強的電場 , 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 , 在強電場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 , 新產(chǎn)生的電子一空穴對在向電極運動過程中又獲得足夠能量 , 再次與晶格原子碰撞 , 這時又產(chǎn)生新的電子一空穴對 , 這一過程不斷重復(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早擊穿 ,所以有保護(hù)環(huán)的APD，有時也稱為保護(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 , 擴散五價元素磷而形成重?fù)诫s十型層 , 并在與十區(qū)間通過擴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) , 同樣用來防止表面漏電和邊緣過早擊穿。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)的電場分市情況 , 其結(jié)構(gòu)的特點是把耗盡層分高電場倍增區(qū)和低電場漂移區(qū)。圖 (c) 中, 區(qū)為高電場雪崩倍增區(qū) , 而幣義為低電場漂移區(qū)。器件在工作時 , 反向偏置電壓使耗盡層從 一結(jié)一直擴散到二一邊界。當(dāng)光照射時 , 漂移區(qū)產(chǎn)生的光生載流子電子在電場中漂移到高電場區(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器暗電流由五部分部分構(gòu)成 : 擴散電流、產(chǎn)生復(fù)合電流、歐姆電流 、表面復(fù)合電流和隧道電流。載流子濃度對器件的暗電流影響：在反向偏置低壓時探測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 , 帶與帶間隧道電流對暗電流的貢獻(xiàn)起主要作用 , 且光吸收層的載流子濃度對器件的暗電流有很大的影響。結(jié)面積和壓焊區(qū)尺寸對探測器暗電流影響：電極壓焊區(qū)的大小及位置相關(guān)的表面漏電對探測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)對暗電流影響：腐蝕臺面時腐蝕速率稍大 , 側(cè)向鉆蝕較明顯 , 這會影響鈍化層的淀積 , 使部分有源區(qū)側(cè)壁沒有覆蓋到鈍化層 ,

8、而磁控濺射制作電極時 , 金屬與這些沒有受到鈍化保護(hù)的有源區(qū)形成肖特基勢壘。肖特基勢壘的電流輸運機制很多 , 其中一種機制是吸收層中含有許多位錯缺陷 ,這些位錯缺陷會協(xié)助載流子通過隧穿方式穿越勢壘而到達(dá)金屬 , 其電流表達(dá)式近似為 I =Is exp( V)。溫度特性對暗電流影響：零偏時 , 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 探測器暗電流由四部分構(gòu)成 : 擴散電流、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 擴散電流特性擴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散。這里所模擬的器件是基于我們實際研制的 p+-i-n+ 異質(zhì)結(jié)臺面結(jié)構(gòu) ,p 區(qū)為重?fù)诫s InP 層 ,InP 材料 ni 較小 , 擴散電流與 n2i 成正比 , 所以 ,p 區(qū)向耗盡層的擴散電流可忽略不計 , 在此 , 只考慮 In0.53Ga0.47As 層向耗盡層的擴散電流。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)合電流起源于勢壘區(qū)熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子在電場作用下向勢壘區(qū)兩邊的漂移運動 , 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 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)生的載流子在電場作用下的漂移運動產(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禁帶的隧道效應(yīng) , 電壓較高時將決定探測器的暗電流。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 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 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 是耗盡層電場強度 ,Em= 2(V+ Vb)/ W, = (2 me/ m0)1/2, 決定于隧穿勢壘的具體形狀 ,C1、C2 為隧穿常數(shù) ,Et 為缺陷隧穿勢壘。其中 eff, ,S,C1,C2 為可調(diào)參數(shù)。我們以擴散電流 , 產(chǎn)生復(fù)合電流、表面復(fù)合電流和隧道電流來模擬計算探測器 ( 結(jié)

13、構(gòu)與實測器件結(jié)構(gòu)相同 ) 在反向偏壓下的暗電流。計算中所用到的參數(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)果實測數(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)果較好地反映了實測結(jié)果的變化趨勢。說明 In0.53Ga0.47As 探測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 探測器暗電流隨反向偏壓變化有幾個明顯不同的區(qū)域。綜合以上分析可以看出 , 對 In0.53Ga0.47As 探測器 , 在反向偏置低壓時探測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 , 帶與帶間隧道電流

14、對暗電流的貢獻(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)受生長條件 , 工藝處理等因素的影響 , 計算結(jié)果與實測結(jié)果仍存在著一定偏差。2.2 結(jié)面積和壓焊區(qū)尺寸對探測器暗電流的影響為分析探測器的結(jié)面積對 In0.53Ga0.47As PIN ·343·探測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 臺面探測器 ,i 層摻雜濃度為 5× 1016 cm- 3, 并分別測量了三者在室溫

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 , 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, 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 時三者比例為 12.7 8.1, 在反向偏壓為 20 V 時, 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 , 這說明對我們的器件結(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)從理論和實驗上分析了 In0.53Ga0.47As/InP 探測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 , 隧道電流對探測器暗電流的貢獻(xiàn)起主要作用, 且 In0.53Ga0.47A

17、s 層的載流子濃度對探測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,10 V 偏壓下的暗電流約減小 3 倍。此外 , 本文通過對器件結(jié)面積和壓焊電極尺寸對 In0.53Ga0.47As 探測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)的表面漏電對探測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探測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 , InP 緩沖層能減小襯底缺陷對吸收層的影響 , 從而使整個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 , 需要在材料生長和器件制作中加以改進(jìn)。另外 , 樣品 C 中還出現(xiàn)了一個較大的電流分量 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 腐蝕臺面時腐蝕速率稍大 , 側(cè)向鉆蝕較明顯 , 這會影響鈍化層的淀積 , 使部分有源區(qū)側(cè)壁沒有覆蓋到鈍化層 , 而磁控濺射制作電極時 , 金屬與這些沒有受到鈍化保護(hù)的有源區(qū)形成肖特基勢壘。肖特基勢壘的電流輸運機制很多 , 其中一種機制是吸收層中含有許多位錯缺陷 , 這些位錯缺陷會協(xié)助載流子通過隧穿方式穿越勢壘而到達(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的 InP 緩沖層能夠有效地改善探測器的性能。此外為了進(jìn)一步減小該類探測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 溫度特性對暗電流影響圖 3 表明 : 零偏時 , 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 , 甚至在升溫時電流值略有下降。對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 表示絕對溫度。為簡化問題 , 設(shè) Rs= Rsh。外加偏壓 VR= 0時, 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 , 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 由低溫時的較大值逐漸減小 , 此時 Rs 的減小相對 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)等都會對探測器的暗電流穩(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 , 但過高的摻雜濃度會使器件的反壓過低 , 還會影響響應(yīng)速度和光靈敏度 ,