探測(cè)器暗電流綜述報(bào)告

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1PIN光探測(cè)器的工作原理2雪崩光電二極管工作原理2暗電流的形成及其影響因素3暗電流摻雜濃度的影響3.2復(fù)合電流特性4.3外表復(fù)合電流特性4.4歐姆電流特性45隧道電流特性4結(jié)面積和壓焊區(qū)尺寸對(duì)探測(cè)器暗電流的影響53腐蝕速率和外表鈍化工藝對(duì)探測(cè)器暗電流的影響5溫度特性對(duì)暗電流影響6暗電流穩(wěn)定性分析小結(jié)7參考文獻(xiàn)7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(chēng)為暗電流，產(chǎn)生暗電流的機(jī)制有很多，主要包括外表漏電流、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)、精細(xì)分析等領(lǐng)域,在非接觸式、非破壞、高速、精細(xì)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)重要開(kāi)展方向。PIN光探測(cè)器的工作原理在PD的PN結(jié)間參加一層本征（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，因此這種構(gòu)造稱(chēng)為PIN光探測(cè)器。圖（a）給出了PIN光探測(cè)器的構(gòu)造和反向偏壓時(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)參加中間層，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。雪崩光電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,這種現(xiàn)象稱(chēng)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)在構(gòu)造上采用“保護(hù)環(huán)〃，其作用是增加高阻區(qū)寬度，減小外表漏電流防止邊緣過(guò)早擊穿，所以有保護(hù)環(huán)的APD,有時(shí)也稱(chēng)為保護(hù)環(huán)雪崩光電二極管。雪崩光電二極管構(gòu)造示意圖幾種雪崩光電二極管的構(gòu)造，圖中1a）是P型N+構(gòu)造，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⑹是p-i-n構(gòu)造,為高阻型硅,作為保護(hù)環(huán)，同樣用來(lái)防止外表漏電和邊緣過(guò)早擊穿。圖表示一種新的達(dá)通型雪崩光電二極管記作構(gòu)造，二為高阻型硅,本圖的右邊畫(huà)出了不同區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)分市情況,其構(gòu)造的特點(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。暗電流的形成及其影響因素探測(cè)器暗電流由五局部局部構(gòu)成:擴(kuò)散電流、產(chǎn)生復(fù)合電流、歐姆電流、外表復(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)暗電流的奉獻(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)的外表漏電對(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，使局部有源區(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=Isexp(BV)。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。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)InO.53GaO.47As探測(cè)器暗電流由四局部構(gòu)成:擴(kuò)散電流、產(chǎn)生復(fù)合電流、歐姆電流、外表復(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)面構(gòu)造,P區(qū)為重?fù)诫sInP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InO.53GaO.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)，ip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)的接觸面積,V為探測(cè)器所加偏壓。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⑵所示：式中：q為電子電量，Teff是有效載流子壽命，W為耗盡層寬度,W=[2￡j(Vb+V)/qNd]1/2,ej為i層介電常數(shù)，Vb為內(nèi)建電勢(shì)差，Vb=(kT/q)In(PpO/PnO),PpO為p區(qū)空穴濃度,PnO為n區(qū)空穴濃度。外表復(fù)合電流特性外表復(fù)合電流是由于器件外表的熱激發(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為外表復(fù)合速度。由式⑶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。所以一般在器件構(gòu)造中采用寬禁帶的半導(dǎo)體層來(lái)制作帽層以減小外表暗電流。歐姆電流特性歐姆電流表達(dá)式為式中,Reff為有效電阻,R。為理想的異質(zhì)結(jié)阻抗,Rs是由外表漏電流引起的并聯(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)，隧道電流將決定探測(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,分別如式(4),(5)所示：參數(shù)丫決定于隧穿載流子的始態(tài)與終態(tài)，對(duì)于帶與帶間隧道電流，Y=[(2meEg)1/2q3EmV/4n2n2],me是InGaAs導(dǎo)帶電子的有效質(zhì)量，對(duì)于InO.53GaO.47As材料,me=0.034mO,mO是電子靜止質(zhì)量,Eg為InO.53GaO.47As禁帶寬度,Em是耗盡層電場(chǎng)強(qiáng)度,Em=2(V+Vb)/W,?=a(2me/mO)1/2,a決定于隧穿勢(shì)壘的具體形狀,Cl、C2為隧穿常數(shù),Et為缺陷隧穿勢(shì)壘。其中ieff,0,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、外表復(fù)合電流和隧道電流來(lái)模擬計(jì)算探測(cè)器(構(gòu)造與實(shí)測(cè)器件構(gòu)造一樣)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)果的比擬如圖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InO.53GaO.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),InO.53GaO.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此對(duì)InO.53GaO.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),帶與帶間隧道電流對(duì)暗電流的奉獻(xiàn)起主要作用，且InO.53GaO.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。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)InO.53GaO.47AsPIN-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50Jim,100urn,150um)的InO.53GaO.47AsPIN臺(tái)面探測(cè)器,i層摻雜濃度為5X1016cm-3,并分別測(cè)量了三者在室溫(293K)反向偏置下的「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5V時(shí)，結(jié)面直徑為50um的器件暗電流為4.02義10-9A,結(jié)面直徑為100um的器件暗電流為L(zhǎng)1X10-8A,結(jié)面直徑為150um的器件暗電流為3.25X10-8Ao在反向偏壓為20V時(shí)，結(jié)面直徑為5011m的器件暗電流為8.5X10-7A,結(jié)面直徑為100um的器件暗電流為2.54X10-7A,結(jié)面直徑為150um的器件暗電流為7.13X10-7Ao三者存在著一定的比例關(guān)系，在反向偏壓為5V時(shí)三者比例為1：2.7：8.1,在反向偏壓為20V時(shí),三者的比例為1：2.9：8.39,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，但外表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InO.53GaO.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)果說(shuō)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)器暗電流的奉獻(xiàn)起主要作用，且InO.53GaO.47As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5X1016cm-3減小到5X1015cm-3時(shí),10V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)InO.53GaO.47As探測(cè)器反向偏壓下暗電流影響的探討說(shuō)明，與電極壓焊區(qū)的大小及位置相關(guān)的外表漏電對(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。3腐蝕速率和外表鈍化工藝對(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0.36MQ,依次遞增，這大體上能夠反映材料內(nèi)部的性能。與上述結(jié)論類(lèi)似，數(shù)字遞變超晶格DGSL1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Rs和Rd對(duì)總電阻的奉獻(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IM-S二aXexp(BV),其中a=0.17,3=3.43o此電流產(chǎn)生的可能原因是該樣品在H3P04/H202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，使局部有源區(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-Isexp(BV)。為了減少這類(lèi)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)果說(shuō)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、歐姆電流奉獻(xiàn)逐漸增加。通過(guò)比擬發(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(lèi)探測(cè)器工作在小偏壓下的暗電流，還需要優(yōu)化緩沖層和界面構(gòu)造以進(jìn)一步提高材料生長(zhǎng)質(zhì)量以及改善芯片制作中的外表鈍化工藝。2.4溫度特性對(duì)暗電流影響圖3說(shuō)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;10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=Rsho外加偏壓VR=0時(shí)，式(1)變?yōu)?圖3中，IL-T曲線可用式(4)進(jìn)展解釋。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)，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T0?+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，因此材料電阻率的選取應(yīng)折中考慮；探測(cè)器反向偏壓下暗電流影響的探討說(shuō)明，與電極壓焊區(qū)的大小及位置相關(guān)的