微电子与电子第三章2.doc

第3章 光接收器件及集成技术3.3 基于IIIV族半导体材料的光电探测器半导体光电探测器是利用内光电效应进行光电探测的，通过吸收光子产生电子-空穴对从而在外电路产生光电流。其过程可以分为三步：光子吸收产生电子-空穴对，在适当内电场作用下载流子的漂移，欧姆接触收集载流子。半导体光电探测器有以下优点：结构紧凑、低工作电压、宽频谱范围、高量子效率、器件稳定性好、工作温度范围宽、可批量生产、成本低等。正是由于这些优点使半导体光电探测器得到了广泛应用，从可见光波段到红外波段，从光纤通信到光学测距，从激光制导到光电成像，半导体光电探测器都显示了其优异的性能。和激光器不同，众多半导体材料都可用来制造光电探测器。只要入射光波长在半导体材料的光谱吸收范围，即使是硅锗这样的间接带隙材料也可用来制造光电探测器。这些材料包括：IV族单晶Si，Ge；IIIV族二元及多元组分化合物GaAs，InP，InSb，GaAlAs，InGaAs，InGaP，InGaAsP等。对于硅这样间接带隙材料其光谱吸收曲线不像GaAs那样具有陡峭吸收边，其吸收系数也相应小许多，其波长吸收极限为1.1m。在小于这一波长范围内，硅是广泛使用的光电探测器材料。由于其电子与空穴离化率之比很高，用它制成的雪崩二极管的噪声很小，从而使得带宽增益很大。锗的光谱吸收范围最宽，覆盖了可见光波段到光通信波段。因此锗可用来制造长波长1.3 m和1.55 m波段光纤通信探测器。锗光电探测器遇到主要问题是其暗电流较大，从而导致了灵敏度、光谱响应及温度稳定性等一系列问题而限制了它的应用。现在光通信波段广泛使用的光电探测器材料是InGaAs和InGaAsP，这些III-V族组分化合物可以通过调整各组分的含量以改变禁带宽度，从而使其光谱吸收曲线拓展到光通信波段。根据光电探测器结构的不同，光电探测器可以分为4种：即pn结光电探测器、PIN光电探测器、APD雪崩光电二极管及金属半导体金属MSM光电探测器。其中pn结光电探测器是结构最简单的一种探测器，其结构为一个普通的pn结，光生载流子在电场作用下漂移到pn结两边。由于普通pn结耗尽区太窄，光生载流子含有扩散成分，严重影响了器件工作速度。因此人们在pn结中间加了一层本征层以增加耗尽层宽度，这样就使得光生载流子在强电场作用下漂移到pn结，避免了载流子扩散成分对光电探测器的影响，极大地提高了工作速度。APD结构最复杂，具有内部增益功能，因此其响应度和信噪比S/N都比较高。MSM结构简单，制造工艺和微电子工艺兼容，便于和场效应管电子器件集成实现OEIC光电子集成回路。3.3.1 PIN型光电探测器1.PIN基本结构 图3-9 PIN光电探测器基本结构如图3-9（a）所示为PIN光电探测器基本结构，N型衬底上生长一层低掺杂本征层，在淀积的SiO2上开窗形成P型注入区。分别在N型衬底和表面做欧姆接触，其中表面的欧姆接触需要开窗以便于光线入射。为了减少入射表面的反射以提高器件外量子效率，需要在表面涂一层抗反射膜。在这种结构中P型注入区要比本征区薄得多，这样就能使大部分入射光在本征区被吸收，既提高了量子效率又提高了速度。图3-9（b）为端面入射结构，P型和N型接触分别做在衬底上下表面而将入射光改为在端面入射。这种结构消除了表面入射结构产生的P型区域的吸收，减小了入射光的损耗。此外它将光的入射方向和载流子的运动方向分开，因此我们可以把本征区做得很长以便于入射光的吸收从而提高量子效率的同时不影响载流子的漂移时间。这样既提高了响应度又提高了工作速度。此外，我们还可以在另一个端面涂一层反射膜进一步促进光的反射吸收。通过优化两个端面的反射率形成共振谐振腔增强型RCE结构可以有效地提高入射光的吸收。2.异质结PIN图3-10（a）是一个典型的异质结PIN13，P型和N型区域均为InP，本征层In1-xGaxAs生长在N型InP衬底上。当X=0.47时InGaAs和InP之间晶格匹配，并且窄的禁带宽度能使光谱响应达到1.65 m。由于InP的禁带较宽（1.34 eV），根据式（35）可知它的本征吸收截止波长为0.92 m。因此对于波长大于0.92 m的入射光InP呈透明状态，如图3-10（b）所示。通过消除表面pInP的吸收增加了入射光在本征区的吸收，有效地提高了响应度。表面吸收的消除还使得在0.92 m和1.65 m范围内波长响应曲线变得平坦。这是因为吸收系数随入射光波长减小而增大，相应的吸收长度随入射光波长减小而减小。在没有消除表面吸收的情况下，对于短波长的入射光有很大一部分在表面被吸收，对于表面吸收产生的载流子会由于表面态等原因很快被复合掉。由于这部分载流子未漂移到pn结就被复合掉，因此对光电流没有贡献，这样就使得短波长光的响应度偏低，造成光谱吸收曲线不平坦。需要注意的是只有当本征区宽度足够大（比吸收长度大得多）时，光谱吸收曲线才会平坦。当本征区较窄时，响应度还是会随波长的增加而下降，即光谱吸收曲线不再平坦。此外，这种结构由于光吸收发生在本征耗尽层中，不含有本征区外的载流子扩散，因此极大地提高了速度。图3-10 InGaAs/lnP异质结PIN3.3.2 APD光电探测器虽然PIN结构通过扩展空间电荷区有效地提高了工作速度和量子效率，但是它无法将光生载流子放大，因此信噪比和灵敏度还不够理想。为了能探测到微弱的入射光，我们希望光电探测器具有内部增益，即少量的光生载流子在倍增电场作用下能产生较大的光生电流。雪崩光电二极管就是这样一种光电探测器，它是一种具有内部增益、能将探测到的光电流进行放大的有源器件。APD的工作原理为雪崩电离效应，即在np结附近有一高电场，光生电子和空穴在该区中被加速，获得很高的能量。如果载流子能量足够大则它将会去碰撞晶格原子，使束缚的电子电离，从而在导带和价带产生一对电子空穴对。因碰撞产生的载流子也会被加速并继续去碰撞其他晶格原子，进一步产生电子空穴对，如图3-16所示。内置前放大电路型APD应用：激光测距，医学检测，激光雷达等 图3-16 APD雪崩电离示意图 常用的APD为拉通型APD，如图3-17所示，它在PIN的吸收区i层和n层之间插入了一薄层P型层，形成npIp+结构，这一新加入的P型层是一雪崩区。所谓拉通指的是在较大的外加偏压下耗尽区从np结拉通到p表面，使整个低掺杂的冗区都为空间电荷区。其工作原理如下：首先入射光在宽的耗尽区被吸收，产生的光生载流子在外电场作用下被分开各自朝正、负两极运动。对于图3-17所示结构，空穴被外电场扫向p区，电子则在外电场作用下朝np结运动，在np区强电场作用下发生雪崩倍增。图3-17 拉通型APD这种拉通型APD具有稳定的倍增系数，消除了APD的倍增系数随偏压改变而改变的特性。之所以倍增系数的大小依赖于外加偏压值，是因为以下两个原因： （1）电子和空穴两种载流子同时倍增引起了正反馈效应； （2）载流子离化率随电场的增大而指数增加。在图3-17拉通结构中只有电子参与了雪崩倍增过程，空穴只在耗尽区电场作用下向p区漂移，并不参与雪崩电离。因此消除了两种载流子倍增引起的正反馈效应。此外，拉通型APD具有很宽的耗尽区，I区比倍增区宽得多，外加电压的变化部分加在了耗尽区从而保持倍增区电场的相对稳定。拉通型APD还具有高速、高响应度等特点，在PIN中虽然在I区中载流子能以较大漂移速度运动，但在离本征区边界一个扩散长度内的载流子仍然需要经过缓慢的扩散才能到达耗尽区，这一部分载流子的扩散时间就影响了PIN的工作速度。而在APD中所有的光吸收都发生在宽的耗尽区中，避免了载流子的扩散，既提高了工作速度，又使得入射光被充分吸收，从而提高了响应度。 3.3.3 MSM光电探测器MSM是一种平面结构，结构简单，易于和场效应管单片集成实现OEIC光电子集成回路。如图3-21所示。未掺杂的GaAs外延生长在半绝缘衬底上，接着在GaAs表面淀积金属形成肖特基二极管结构，相互错开的电极各自加正负电压使电极间的GaAs耗尽，入射光在这个耗尽区被吸收并在电场作用下向正负电极漂移形成光电流。通过优化金属电极数目和间距可以在适当的偏压下使金属电极间完全耗尽，从而既提高速度又提高响应度。这种结构还具有以下优点：结构简单易于制作且成品率高；寄生电容低，工作速度可以达到很高。图3-21 MSM光电探测器3.3.4 GaN光电探测器GaAs基可见光电探测器及InGaAs/lnGaAsP基长波长光电探测器不同，GaN基紫外光电探测器的光响应波长是200360 nm的紫外波段。紫外探测技术可用于宇宙飞船、紫外天文学、导弹尾焰探测、环境污染监视、火箭羽烟探测、火灾监测等领域中。目前常用的紫外光电探测器主要有紫外光电倍增管及Si基紫外光电二极管。光电倍增管是真空器件，能探测单光子，具有高灵敏度、快响应速度、低噪声等优点。但它体积庞大需要在高电压下工作，易损坏且成本高，不利于推广使用。Si基紫外光电二极管需要额外昂贵的滤光片，而紫外光电探测器大多工作在恶劣的条件下需要耐高温，且其他一些应用领域，像空气质量监视、气体敏感元件及紫外光剂量测量，都要利用宽禁带光电探测器来完成。这样人们迫切需要一种性能优异的宽禁带材料以应用于这些领域。GaN为宽直接带隙半导体材料（室温禁带宽度约3.4eV），其物理、化学性质稳定，具有高的击穿场强，高的热导率。GaN基三无合金AlxGa1-xN，随着Al组分的变化带隙在3.46.2eV之间连续变化，带隙变化对应的波长范围为200365nm，覆盖了大气臭氧层吸收光谱区（230280nm），是制作太阳盲区紫外光电探测器的理想材料之一。因此，世界各国把GaN紫外探测技术列为研究开发的重点课题。 图3-23 采用Si衬底利用AIN做缓冲层的光导型探测器Khan等人25在1992年报道了第一支高质量GaN材料光电导探测器，它以蓝宝石为衬底通过金属有机化学气相淀积（MOCVD）方法生长而成。光响应波长为200365 nm，在365nm处最高增益达6103。在5 V的偏压下响应度最高可达2000 A/W。随后，由于Si材料成熟的工艺技术且易于集成等优点，人们试图将GaN材料生长在Si衬底上以利于和电子器件的集成。Stevens等人26在Si衬底上生长P型GaN薄膜，但光响应度较低，在14V偏压下最高响应度只有30 A/W。由于Si和GaN之间大的晶格失配（17%）和热失配（20%），若直接在Si衬底上生长GaN则会由于晶格失配位错等原因严重影响器件性能。为了解决这一问 题，人们使用缓冲层，如图3-23所示。在Si（111）方向上先用MOCVD方法生长AIN缓冲层，然后在AIN缓冲层上生长GaN，最后用真空淀积的方法淀积金属制作欧姆接触。此外，还可以在6H-SiC衬底上生长GaN获得较高响应度的光电导型探测器。图3-24 GaN基肖特基结构紫外光电探测器GaN光电导型探测器的最大缺点是光电导的持续性，即光生载流子不会随入射光的消失而立刻消失，此效应增加了光响应时间降低了探测器工作速率。相比之下，GaN基肖特基结构紫外光电探测器有较好的响应度和更快的响应速度。第一支GaN基肖特基紫外光电探测器于1993年被提出27，它具有如图3-24（a）所示的结构：它也是在蓝宝石衬底上外延生长GaN，通过掺杂Mg实现P型掺杂，最后再淀积电极形成肖特基势垒和欧姆接触，图中Ti/Au为肖特基接触，Cr/Au为欧姆接触。零偏压下光响应是0.13A/W，响应时间大约为1uS，光谱响应也为200365 nm。Chen等人28则改用n-GaN制作了如图3-24（b）所示的结构，首先在蓝宝石称底上生长AIN缓冲层，接着生长载流子浓度为31018cm-3的n+-GaN，然后生长载流子浓度为31016cm-3的n-GaN，最后电子束蒸发形成欧姆接触和肖特基结。此光电探测器在5 V反向偏压下响应度为18A/W，响应的量子效率超过65%，在负载电阻为50时光响应时间为118 ns。3.4基于硅基双极工艺的光电探测器目前，长距离通信用的光接收器探测器都是用III-V族化合物材料制作的，其传输速率已经超过了40 Gb/s，然而，Ill-V族材料的光接收器和OEIC价格昂贵，对于短距离数据传输的应用，例如局域网、光纤入户和板级光互连等并不适合。随着信息技术的不断进步，对于光信息存储、光数据传输等应用，需要有大量低成本的光电集成电路（OEIC）投入使用。利用普通的硅基集成电路生产技术，在对这些工艺几乎不作改动或者是仅仅作微小调整的基础上，将光电子器件与电信号处理电路集成在一起，无疑是最为理想的光电集成方式。目前硅基集成电路技术主要可分为双极bipolar、CMOS及BiCMOS工艺。本节介绍利用双极工艺实现的硅基光电探测器，下节介绍CMOS和BiCMOS工艺实现的硅基光电探测器。在介绍完标准硅基集成电路工艺实现的光电探测器后，我们通过改变衬底浓度或是对标准工艺进行适当改正，以试图提高这些光电探测器的性能。1.光电二极管（介绍pn结型；PIN型两种）图3-28中给出了一种基于标准双极工艺的N+-p型光电二极管36，其中的N+区是由N+埋层以及插入的N+集电极注入形成，P区则是直接利用轻掺杂的P型衬底。图中N+区与P区的间距为5 m，N+区的面积被定义为光电探测器的面积。图3-28 双极工艺N+-P型光电二极管这种结构能够高效地进行光电转换，在外加偏压为双极电路工作电压（4.2 V）时的量子效率=30%。但是由于受前面叙述的耗尽区外光生载流子缓慢扩散的影响，其响应速度较慢。该探测器与一跨阻抗为1.8 k的双极型前置放大器单片集成，当探测器面积为100100m2，入射光波长850 nm时，可以测得开眼图比特率达到150 Mb/s。当N区的面积减小到1010m2时，该光电二极管的瞬态特性将得到显著改善，入射光波长820nm时，上升时间和下降时间分别为40 ps和400 ps。这种指标的探测器可以实现850 Mb/s的数据传输能力。在不对工艺做任何修改的情况下，N埋层集电极可以被用做光电二极管的阴极，N型外延集电区可用做PIN光电二极管中的I层，而基极注入区则可以被用做阳极，如图3-29所示。这样就使得在标准的双极工艺中能够集成带有薄本征层的光电二极管3738。图3-29 基极集电极形成的PIN光电二极管高速双极工艺中N型外延层厚度大约在1 m左右，这样小的厚度会使得探测器在黄色到红外光谱范围（5801100 nm）内量子效率较低。而光脉冲信号引起的光生电流的上升时间和下降时间同样会由于薄外延层的原因变得非常短，从而有利于改善响应速度。这种光电二极管的数据传输能力可达到10 Gb/s，但是其在肛850 nm下的响应度仅有R48 mA/W37。780850 nm波长范围在最长几千米的短程光数据传输中被广泛应用，在此波长范围下较低的响应度是标准双极工艺0EIC的主要缺陷。另有一种类似结构采用0.8 m硅双极工艺制作的光电集成电路在入射光850 nm时，速率达到5 Gb/s，但响应度只有R45 mA/W38。总的来说，这些单片集成的硅0EIC可以达到的工作速率已经超过了采用族化合物光电探测器与硅基放大电路混合集成的方式，这充分显示了光电探测器单片集成的优越性。2.光电晶体管基区集电区pn结面积被扩大了的NPN晶体管显然可以被用做光电晶体管，结构如图3-30所示40。图3-30 一种基于SBC工艺的光电晶体管简单地说，双极工艺制作的光电晶体管利用基区集电区pn结作为一个光吸收的耗尽层，并且将其光生电流放大。在标准埋层集电极（SBC）双极工艺中光电二极管的P区和NPN晶体管的P型基区是同一个P型区，而光电二极管的阴极和NPN晶体管的集电极都是由同一个N注入区构成，基极接触可以被省略。在基区集电区pn结空间电荷区产生的电子空穴对被加在结上的电场分开。在空间电荷区电场的作用下，空穴向基区漂移，而电子向集电区漂移。在基区积累的空穴使得基区处于高电势，基极发射极势垒降低，发射区向基区扩散电子，并且在电场作用下，向集电极漂移。这个过程与晶体管的电流放大机理相似。因此，光电二极管所产生的光生电流Ipd被NPN型晶体管放大了倍（为晶体管的电流增益）。3.紫外（UV）光探测器硅基光电二极管在紫外光谱范围内一般来说量子效率偏低，然而，从成本、速度及信噪比等角度考虑，迫切需要将探测器和电子电路在硅基工艺下单片集成。目前已采用双极工艺实现了如图3-31所示结构的集成UV传感器41。浅P+和N注入区形成的耗尽区非常接近芯片表面，注入光子在这个区域里被吸收并产生光生载流子。这种P+-N型UV敏感光电二极管制作在NPN晶体管的岛型基区内，该区由AIR电极接出。由基区和附加的N区形成的二极管是用来削减透射更深的绿色、红色及红外等成分的光对光生电流的影响。阳极电流被用做紫外光产生的信号电流，而长波长光产生的流向阴极和AIR极的光生电流并不会对整个传感系统造成影响。图3