探测器暗电流综述报告.docx

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1、暗电流形成及其稳定性分析综述报告目录光电探测器基本原理11.1 PIN光探测器的工作原理21.2 雪崩光电二极管工作原理2暗电流的形成及其影响因素32.1 暗电流掺杂浓度的影响32.2 .2复合电流特性42.3 .3外表复合电流特性42.4 .4欧姆电流特性42.5 5隧道电流特性42.6 结面积和压焊区尺寸对探测器暗电流的影响52.7 3腐蚀速率和外表钝化工艺对探测器暗电流的影响52.8 温度特性对暗电流影响6暗电流稳定性分析小结7参考文献7光探测器芯片处于反向偏置时，在没有光照的条件下也会有微弱的光电 流，被称为暗电流，产生暗电流的机制有很多，主要包括外表漏电流、反向扩 散电流、产生复合电

2、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的方案，讨论它们的优势与 存在的问题。光电探测器基本原理光电检测是将检测的物理信息用光辐射信号承载,检测光信号的变化,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、精细分析等领域,在非接触式、非破坏、高速、精细检测方面具 有其他方法无比拟的。因此,光电检测技术是现代检测技术最重要的手段和方法 之一,是计量检测技术的一个重要开展方向。1.1 PIN光探测器的工作原理在PD的PN结间参加一层本征（或轻掺杂）半导体材料（I区），就可增 大耗尽区的宽度，减小扩散

3、作用的影响，提高响应速度。由于I区的材料近似 为本征半导体，因此这种构造称为PIN光探测器。图（a）给出了 PIN光探测器 的构造和反向偏压时的场分布图。I区的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区的宽度可以控制耗尽层的宽度。PIN光探测器通过参加中间层，减小了扩散分量对其响应速度的影响， 但过大的耗尽区宽度将使载流子通过耗尽区的漂移时间过长，导致响应速度变 慢，因此要根据实际情况折中选取I层的材料厚度。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、响应速度快的特 点，因而可用于

4、检测高速调制的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的光电二极管，它的工作过程是在光电二极管的一结上 加一相当高的反向偏压，使结区产生一个很强的电场，当光激发的载流子或热激 发的栽流子进入结区后,在强电场的加速下获得很大的能量,与晶格原子碰撞而 使晶格原子发生电离,产生新的电子一空穴对,新产生的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,这时又产生新的电子一空穴 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的放大作用。为保证载流子在整个光 敏区的均匀倍增,必须采用掺杂浓度均匀并

5、且缺陷少的衬底材料，同时在构造上 采用“保护环，其作用是增加高阻区宽度，减小外表漏电流防止边缘过早击穿， 所以有保护环的APD,有时也称为保护环雪崩光电二极管。雪崩光电二极管构造示意图几种雪崩光电二极管的构造，图中1a）是P型N+构造，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。图是p-i-n构造,为高阻型硅,作 为保护环，同样用来防止外表漏电和边缘过早击穿。图表示一种新的达通型雪崩 光电二极管记作构造，二为高阻型硅,本图的右边画出了不同区域内的电场分市 情况,其构造的特点是把耗尽层分高电场倍增区和低

6、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，漂移区产生的光生载流子电子 在电场中漂移到高电场区，发生雪崩倍增,从而得到较高的内部增益,耗尽区很宽, 能吸收大多数的光子,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的响应速度和更低的噪声。暗电流的形成及其影响因素探测器暗电流由五局部局部构成:扩散电流、产生复合电流、欧姆电流、外 表复合电流和隧道电流。载流子浓度对器件的暗电流影响：在反向偏置低压时探测器的暗电流主要由 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的奉献起主要作

7、 用，且光吸收层的载流子浓度对器件的暗电流有很大的影响。结面积和压焊区尺寸对探测器暗电流影响：电极压焊区的大小及位置相关的 外表漏电对探测器暗电流的影响不大,结区暗电流仍为器件暗电流的主要分量。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，这会影响钝化层的淀积，使局部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的有源区形成肖特基势垒。肖 特基势垒的电流输运机制很多，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 =Is exp(BV)。温度特性对暗电流影响：零

8、偏时,光电流在20以下随着温度的上升而变大, 符合相关理论;但是,温度高于20后,光电流随温度增加的变化很小,甚至在升 温时电流值略有下降。2.1 暗电流掺杂浓度的影响在忽略其他因素的条件下,双异质结InO. 53GaO. 47As探测器暗电流由四 局部构成:扩散电流、产生复合电流、欧姆电流、外表复合电流和隧道电流。 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区热激发产生的少数载流子向耗尽 层的扩散。这里所模拟的器件是基于我们实际研制的p+-i-n+异质结台面构 造,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 耗尽层的扩散电流可忽略不计,在此

9、,只考虑InO. 53GaO. 47As层向耗尽层的扩散 电流。表达式如下：式中:ni为本征载流子浓度,Dp为i区中空穴扩散系数，ip为i区中空穴的寿 命,Nd为i区的掺杂浓度,A是耗尽层与p区和i区的接触面积,V为探测器所加 偏压。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的载流子在电场作用下向势垒区 两边的漂移运动,如式所示：式中：q为电子电量，Teff是有效载流子寿命，W为耗尽层宽度,W=2 j(Vb+ V)/ qNd 1/2, e j为i层介电常数，Vb为内建电势差，Vb=(kT/ q) In (PpO/PnO), PpO为p区空穴浓度,PnO为n区空穴浓度。2.1.3

10、 外表复合电流特性外表复合电流是由于器件外表的热激发产生的载流子在电场作用下的漂 移运动产生的表达式如下所示：式中：S为外表复合速度。由式可以看出Is与ni成正比,ni又与exp(- Eg/2kT)成正比,Eg为材料禁带宽度。所以一般在器件构造中采用宽禁带的半导 体层来制作帽层以减小外表暗电流。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,R。为理想的异质结阻抗,Rs是由外表漏电流引起的并 联电阻，Rd由有源区的位错引起的并联电阻隧道电流特性隧道电流主要起源于载流子穿过禁带的隧道效应，电压较高时，隧道电流 将决定探测器的暗电流。隧道电流分为带与带间隧道电流和缺陷隧道电流,分

11、别 如式(4), (5)所示：参数丫决定于隧穿载流子的始态与终态，对于带与带间隧道电流，Y=(2 meEg) 1/2 q3 EmV/4 n 2 n 2, me是InGaAs导带电子的有效质量，对于 InO. 53GaO. 47As 材料,me= 0. 034 mO, mO 是电子静止质量,Eg 为 InO. 53GaO. 47As 禁带宽度,Em是耗尽层电场强度,Em= 2(V+ Vb)/ W, = a (2 me/ mO) 1/2, a决 定于隧穿势垒的具体形状,Cl、C2为隧穿常数,Et为缺陷隧穿势垒。其中ieff, 0,S,C1,C2为可调参数。我们以扩散电流，产生复合电流、外表复合电流

12、和隧 道电流来模拟计算探测器(构造与实测器件构造一样)在反向偏压下的暗电流。 计算中所用到的参数数值在表1中列出。模拟结果如图1所示：图1暗电流分量随反向偏压变化的模拟结果实测数据及其与模拟结果的比拟如图2所示，由图2可以看出，模拟结果 较好地反映了实测结果的变化趋势。说明InO. 53GaO. 47As探测器在反向偏压下 的暗电流特性。分析图中曲线可以发现,InO. 53GaO. 47As探测器暗电流随反向 偏压变化有几个明显不同的区域。综合以上分析可以看此对InO. 53GaO. 47As 探测器,在反向偏置低压时探测器的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

13、流的奉献起主要作用，且InO. 53GaO. 47As光吸收 层的载流子浓度对器件的暗电流有很大的影响。此外由于材料及器件参数受生 长条件,工艺处理等因素的影响,计算结果与实测结果仍存在着一定偏差。2.2 结面积和压焊区尺寸对探测器暗电流的影响为分析探测器的结面积对InO. 53GaO. 47As PIN - 343 探测器反向偏压下的暗 电流的影响,我们制作了 3种不同结面积(直径分别为50 Jim, 100 urn, 150 um)的 InO. 53GaO. 47As PIN台面探测器,i层掺杂浓度为5X 1016 cm- 3,并分别测量 了三者在室温(293 K)反向偏置下的V特性，如图

14、3所示。由图可看出， 结面积越大,探测器反向偏压下的暗电流越大,这与预期相符。在反向偏压为5 V时，结面直径为50 um的器件暗电流为4. 02义10- 9 A,结面直径为100 um的 器件暗电流为L1X 10- 8 A,结面直径为150um的器件暗电流为3.25X 10- 8 Ao在反向偏压为20 V时，结面直径为5011m的器件暗电流为8. 5X10- 7 A, 结面直径为100 um的器件暗电流为2. 54X10- 7 A,结面直径为150 u m的器件 暗电流为7. 13X 10- 7 Ao三者存在着一定的比例关系，在反向偏压为5 V时 三者比例为1 ： 2. 7 ： 8. 1,在反

15、向偏压为20 V时,三者的比例为1 ： 2. 9 ： 8. 39, 与其结面积之比1 ： 4 ： 9有较好的相关性,这说明对我们的器件结区的暗电流在 总暗电流中仍起主要作用，但外表和压焊电极的漏电也有一定影响。本节从理论和实验上分析了 InO. 53GaO. 47As/InP探测器在不同掺杂浓度 及反向偏压下的暗电流特性,结果说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的奉献起主要作用，且InO. 53GaO. 47As层的 载流子浓度对探测器反向偏压下暗电流有很大的影响，当载流子浓度由5X1016 cm- 3减小到5X 1015 cm- 3时,10 V偏压下的暗

16、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InO. 53GaO. 47As探测器反向偏压下暗电流 影响的探讨说明，与电极压焊区的大小及位置相关的外表漏电对探测器暗电流的 影响不大,结区暗电流仍为器件暗电流的主要分量。2.3 3腐蚀速率和外表钝化工艺对探测器暗电流的影响样品A、B和C的有效电阻Reff分别为0 .14、0.32和0 .36 MQ,依 次递增，这大体上能够反映材料内部的性能。与上述结论类似，数字递变超晶 格DGS L1能够减少吸收层中的位错，InP缓冲层能减小衬底缺陷对吸收层的影 响，从而使整个样品的体电阻逐渐变大。另外从有效电阻数值上还可以判断并 联电阻R s和

17、Rd对总电阻的奉献较大，而这又增加了器件的欧姆电流，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的电流分量IM-S ,模拟的结果显示该电流分 量表达式近似为I M-S二a Xexp(BV),其中a =0 . 17 , 3 =3 . 43 o此电流产 生的可能原因是该样品在H3 P04/ H2 02腐蚀台面时腐蚀速率稍大，侧向钻蚀 较明显，这会影响钝化层的淀积，使局部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的有源区形成肖特基势垒。 肖特基势垒的电流输运机制很多，其中一种机制是吸收层中含有许多位错

18、 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 -Is exp(BV)。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。本节小结：PIN探测器在室温下的暗电流特性。结果说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、欧姆电流奉献逐渐增 加。通过比拟发现在InAlAs/InGaAs异质界面处的数字递变超晶格和外延初始 生长的InP缓冲层能够有效地改善探测器的性能。此外为了进一步减小该类探 测器工作在小偏压下的暗电流，还需要优化缓冲层和界面构造以进一步提高材 料生长质量以及改善芯片制作中的外表钝化工艺。2.4温度特性对暗电流

19、影响图3说明：零偏时，光电流在20以下随着温度的上升而变大,符合相关 理论;但是,温度高于20后,光电流随温度增加的变化很小,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：在非理想情况下,光电转换pn结的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;10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。为简化问题，设Rs= Rsho外加偏压VR= 0时，式(1)变为:图3中，IL-T曲线可用式(4)进展解释。温度上升会使半导体材料带隙变窄,可 能导致Voc下降2

20、。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的载流子冻结效应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的升高迅速减轻或消除，即 Rs由低温时的较大值逐渐减小,此时Rs的减小相对Voc的减小起主导作用，导 致IL上升。在2050内载流子冻结效应已 基本消除，随着温度的升高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 整机使用的工作条件在T0+ 50,而在室温附近这一范围内，图3光电流的变 化幅度足够小（10%）,因此符合使用要求。暗电流稳定性分析小结掺杂浓度、结面积、压焊区尺寸、温度、

21、腐蚀速率和钝化技术等都会对探测 器的暗电流稳定性的影响。要减小暗电流提高暗电流的稳定性,少子寿命和材料 掺杂浓度应适当提高，但过高的掺杂浓度会使器件的反压过低,还会影响响应速 度和光灵敏度，因此材料电阻率的选取应折中考虑；探测器反向偏压下暗电流影 响的探讨说明，与电极压焊区的大小及位置相关的外表漏电对探测器暗电流的影 响不大；只在外表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，既解决了芯片外表钝化问题,又保证了光电探测器的 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

22、在较严重的载 流子冻结效应1,使材料电导率减小，电阻率或体电阻增加，因此要让探测器的 暗电流稳定，温度适中和恒定也是影响因素之一。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2InGaAsPIN光电探测器的暗电流特性研究郝国强3低暗电流 InGaAsPIN 光电二极管JKatsuyaHasegawa4具有低暗电流的全金属化耦合封装省略_AsnP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一省略一面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的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9APD微弱光电信号探测技术研究_赵慧玲10Ge_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的建设与参数提取.许文彪14硅基光电探测器的研究.周弘毅15基于ADL5317雪崩二极管系统参数测试电路的设计伍保红