光电探测器综述PD

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1、光电探测器综述摘要：近年来，围绕着光电系统开展了各种关键技术研究，以实现具有高集成度、高性能、低功耗和低本钱的光电探测器Photodetector及光电集 成电路OEIC已成为新的重大挑战。尤其是具有高响应速度，高量 子效率和低暗电流的高性能光电探测器，不仅是光通信技术开展的需要，也是实现硅基光电集成的需要，具有很高的研究价值。本文综述了 近十年来光电探测器在不同特性方向的研究进展及未来几年的开展方 向，对其的结构、相关工艺和制造的研究具有很重要的现实意义。关键词：光电探测器，Si ,CMOSAbstract: In recent years, around the photoelectric

2、 system to carry out the study of all kinds of key technologies, in order to realize high integration, high performance, low power consumption and low cost of photoelectric detector (Photodetector) and optoelectronic integrated circuit (OEIC) has become a major new challenge. Especially high respons

3、e speed , high quantum efficiency, and low dark current high-performance photodetector, is not only the needs for development of optical communication technology, but also realize the needs for silicon-based optoelectronic integrated,has the very high research value. This paper reviews the developme

4、nt of different characteristics and results of photodetector for the past decade, and discusses the photodetector development direction in the next few years,the study of high performance photoelectric detector, the structure, and related technology, manufacturing, has very important practical signi

5、ficance.Key Word: photodetector, Si ,CMOS一、光电探测器1.1概念光电探测器在光通信系统中实现将光转变成电的作用，这主要是基于半导体 材料的光生伏特效应，所谓的光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与 金届结合的不同部位之间产生电位差的现象。光电导效应是指在光线作用下， 电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化的象。 即当光照射到光电导体上时，假设这个光电导体为本征半导体材料， 且光辐射能量 乂足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去， 使光导体的电导率变大 是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象，光子作用于光

6、电导材 料，形本钱征吸收或杂质吸收，产生附加的光生载流子，从而使半导体的电导率 发生变化，产生光电导效应。1.2分类根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同，光电探测器可 分为两大类1: 一类是光子探测器；另一类是热探测器。根据形态也可分为两大 类：一是真空光电器件；另一类是固体光电器件。固体光电器件乂包括光敏电阻、 光电池、光电二极管、光电三极管等。1.3工作原理光电探测器的根本工作机理包括三个过程：1光生载流子在光照下产生； 2载流子扩散或漂移形成电流；3光电流在放大电路中放大并转换为电压 信号。当探测器外表有光照射时，如果材料禁带宽度小丁入射光光子的能量即 Eghv,那么价带

7、电子可以跃迁到导带形成光电流。当光在半导体中传输时，光波的能量随着传播会逐渐衰减，其原因是光子 在半导体中产生了吸收。半导体对光子的吸收最主要的吸收为本征吸收，本征 吸收分为直接跃迁和间接跃迁。通过测试半导体的本征吸收光谱除了可以得到 半导体的禁带宽度等信息外，还可以用来分辨直接带隙半导体和间接带隙半导 体。本征吸收导致材料的吸收系数通常比拟高， 由丁半导体的能带结构所以半导 体具有连续的吸收谱。从吸收谱可以看出，当本征吸收开始时，半导体的吸收谱 有一明显的吸收边。但是对丁硅材料，由丁其是间接带隙材料，与三五族材料相 比跃迁几率较低，因而只有非常小的吸收系数，同时导致在相同能量的光子照射 下在

8、硅材料中的光的吸收深度更大。直接带隙材料的吸收边比间接带隙材料陡峭 很多，图1-1画出了几种常用半导体材料如 GaAs、InP、InAs、Si、Ge、GaP 等材料的入射光波长和光吸收系数、渗透深度的关系。图1-1半导体材料光吸收系数与波长的关系嗟般来1.4光电探测器的性能指标光电探测器的性能指标主要由量子效率、响应度、响应速度和本征带宽、光电流，暗电流和噪声等指标组成:1.量子效率：生成的电子-空穴对个数入射光子数1 0%wa表示吸收层的厚度，a s表示光吸收系数，入射波长 入、材料消光系数k 决定吸收系数 a S=4兀k/入。考虑实际情况，入射光在探测器外表会被反射。同时探测器外表存在一定

9、宽度的接触掺杂区域，其中也会产生光子的消耗，考虑 以上两种因素的量子效率的表达式：=(1 - Rf) esd (1 - e： sWa其中d表示接触层厚度，Rf表示光电探测器外表的反射率。反射率与界面 的折射率nsc和吸收层的消光系数 k有关，Rf可以表示成下式：Rf(1 - nQ22(1 nJ22胴应度:定义为光电探测器产生光电流与入射光功率比，单位通常为A/W。响应度与量子效率的大小有关，为量子效率的外在表达。响应度R :VpPrp表示光电探测器产生的光电流,Pr代表入射光功率。那么量子效率可变为下式表小:p/qpr/hv进而可得响应度的公式为:R=丑hv可知响应度与量子效率成正比，由丁硅材

10、料本身为间接带隙，所以材料的量 子效率较低，硅基光电探测器的响应度也较小。3、响应速度与本征带宽响应速度可以用光生载流子的渡越时间表示，载流子的渡越时间外在的频率 响应的表现就是探测器的带宽。光生载流子的渡越时间在光生电流变化中表现为 两局部：上升时间和下降时间。通常取上升时间和下降时间中的较大者衡量探测 器的响应速度。决定探测器响应速度的因素主要有：、耗尽区载流子渡越时间：载流子的渡越时间是影响探测器响应速度的最重要因素，当耗尽区电场强度到达最大时，4表示载流子的最大漂移速度， W表示耗尽区宽度，那么载流子的渡越时间为:耗尽区外载流子扩散时间：载流子扩散的速度较慢，同时大多数产生丁耗尽区 之

11、外的载流子的寿命非常短，复合发生速度快。所以扩散运动只对距离耗尽区范 围较近的载流子才能通过扩散运动到达耗尽区中，并在电场中漂移产生光电流。Dc表示载流子的扩散系数，d表示扩散距离，那么扩散时间如下式：tLd i f fd22Dc光电二极管耗尽区电容：越大，响应速度就越慢。为了到达最优的探测器的响应速度，需要在探测器的吸收层厚度和光电探测 器的面积中折衷。如增大探测器材料的吸收层厚度可以有效减小耗尽区平板电 容，同时可增大吸收层厚度可以提高探测器的量子效率。但是吸收层厚度的增加 导致耗尽区宽度的变大，是光生载流子渡越时间变长而有可能降低探测器的响应 速度。暗电流和噪声光电流指在入射光照射下光电

12、探测器所产生的光生电流,暗电流可以定义为 没有光入射的情况下探测器存在的漏电流。其大小影响着光接收机的灵敏度大 小，是探测器的主要指标之一。暗电流主要包括以下几种：耗尽区中边界的少 子扩散电流；载流子的产生一复合电流，通过在加工中消除硅材料的晶格缺陷， 可以有效减小载流子的产生一复合电流，通常对丁高纯度的单晶硅产生一复合电112流可以降低到2 10 A/mm以下；外表泄漏电流，在制造工艺结束时，对芯片外表进行钝化处理，可以将外表漏电流降低到10T1A/mm2量级。当然，暗电流也受探测器工作温度和偏置电压的影响。 探测器的暗电流与噪声是分不开的，通常光电探测器的噪声主要分为暗电流噪声、散粒噪声和

13、热噪声：a暗电流噪声：对丁一个光电探测器来讲，可接收的最小光功率是由探测器的暗电流 决定的，所以减小探测器的暗电流能提高光接收机的灵敏度；b散粒噪声：当探测器接收入射光时，散粒噪声就产生丁光子的产生 -复合过程中。由丁光生载流 子的数量变化规律服从泊松统计分部，所以光生载流子的产生过程存在散粒噪 声；c热噪声：由丁导体中电子的随机运动会产生导体两端电压的波动，因此就 会产生热噪声。光电探测器的电路模型中包含的电阻为其热噪声的主要来源。4、噪声等效功率NEP:单位信噪比时的入射光功率。Vs/Vn5、探测度D: max6、线性度:1.5光电探测器的选择与主要应用1.5.1光电探测器的应用选择光电探

14、测器件的应用选择，实际上是应用时的一些事项或要点。 在很多要求 不太严格的应用中，可采用任何一种光电探测器件。 不过在某些情况下，选用某 种器件会更适宜些。例如，当需要比拟大的光敏面积时，可选用真空光电管，因 其光谱响应范围比拟宽3,故真空光电管普遍应用丁分光光度计中。当被测辐射 信号微弱、要求响应速度较高时，采用光电倍增管最适宜，因为其放大倍数可达 100以上，这样高的增益可使其信号超过输出和放大线路内的噪声分量囹，使得对探测器的限制只剩下光阴极电流中的统计变化。因此，在天文学、光谱学、激 光测距和闪烁计数等方面，光电倍增管得到广泛应用。目前，固体光电探测器用途非常广。CdS光敏电阻因其本钱

15、低而在光亮面积 的器件，它除用做探测器件外，还可作太阳能变换器；硅光电二极管体积小、响 应快、可靠性高，而且在可见光与近红外波段内有较高的量子效率，困而在各种工业控制中获得应用。硅雪崩管由丁增益高、响应快、噪声小，因而在激光测距 与光纤通信中普遍采用4。、光电探测器必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上相匹配。如果测量波长是紫外波段，那么选用光电倍增管或专门的紫外光电半导体器件；如果信号是可见光，那么可选用光电倍增管、光敏电阻和 Si光电器件；如果是红外信号， 那么选用光敏电阻，近红外选用 Si光电器件或光电倍增管。、光电探测器的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。其中首先要 注意器件的感光

16、面要和照射光匹配好，因光源必须照到器件的有效位置，如光照位置发生变化，那么光电灵敏度将发生变化。如光敏电阻是一个可变电阻，有光照 的局部电阻就降低，必须使光线照在两电极问的全部电阻体上，以便有效地利用全部感光面。光电二极管、光电三极管的感光面只是结附近的一个极小的面积， 故一般把透镜作为光的入射窗，要把透镜的焦点与感光的灵敏点对准。一股要使 入射通量的变化中心处丁检测器件光电特性的线性范围内5,以确保获得良好的线性输出。对微弱的光信号，器件必须有适宜的灵敏度，以确保一定的信噪比和 输出足够强的电信号。1.5.2光电探测器的主要应用photodetector利用半导体材料的光电导效应制成的一种光

17、探测器件。 所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。 光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红 外波段主要用丁射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波 段主要用丁导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。光电导体的另一应 用是用它做摄像管靶面。为了防止光生载流子扩散引起图像模糊，连续薄 膜靶面都用高阻多晶材料，如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可采取镶嵌靶 面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成。1873年，英国 W.史密斯发现硒的光电导效应，但是这种效应长期处丁 探索研究阶段，未获实际应用。第二次世界大战以后，随着半导体的开

18、展， 各种新的光电导材料不断出现。在可见光波段方面，到50年代中期，性能良好的硫化镉、硒化镉光敏电阻和红外波段的硫化铅光电探测器都已投入 使用。60年代初，中远红外波段灵敏的 Ge、Si掺杂光电导探测器研制成功， 典型的例子是工作在 35微米和814微米波段的 Ge:Au 错掺金和 Ge:Hg光电导探测器。工作原理和特性光电导效应是内光电效应的一种。当照射的光子能量 hv等丁或大丁半导体的禁带宽度Eg时，光子能够将价带中的电子激发到导带，从而产生导电的电子、空穴对，这就是本征光电导效应。这里h是普朗克常数，v是光子频率,Eg是材料的禁带宽度单位为 电子伏。因此，本征光电导体的响应长波限入c为入

19、c=hc/Eg=1.24/Eg m式中c为光速。本征光电导材料的长波限受禁带宽度的限制。通常，凡禁带宽度或杂质离化能适宜的半导体材料都具有光电效应。 常用的光电导探测器材料在射线和可见光波段有：Si、Ge等;在近红外波段有：PbS、PbSe等;在长丁 8微米波段有：Te、Si掺杂、Ge掺杂等；CdS、 CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光电导探测器。可见光波段的光电导探测器 CdS、CdSe、CdTe的响应波段都在可见光或近红外区域， 通常称为光敏电阻。器件灵敏度用一定偏压下每流明辐照所产生的光电流的大小来表示。例如一种CdS光敏电阻，当偏压为70伏时，暗电流为 10e-610e-8

20、安，光 照灵敏度为310安/流明。CdSe光敏电阻的灵敏度一般比 CdS高6。光 敏电阻另一个重要参数是时间常数 r,它表示器件对光照反响速度的大小。光照突然去除以后，光电流下降到最大值的1/e 约为37%所需的时间为时间常数 I。也有按光电流下降到最大值的10%计算T的;各种光敏电阻的时间常数差异很大。CdS的时间常数比拟大ms级，响应波长越长的光，电导体这种情况越显著，其中13微米波段的探测器可以在室温工作。红外探测器有时要探测非常微弱的辐射信号，例如10-14瓦；输出的电信号也非常小，因此要有专门的前置放大器。二、光电探测器的开展历程近年来光电探测器的研究引起人们的重视，在标准 CMOS

21、工艺下的Si 光电探测器的开展更是取得了瞩目的结果。经过一年看过的相关文献得出 结论：2005年到2021年是CMOS发表的量较大的时期，同时在这一阶段 的光电探测器的开展也呈现逐年上升趋势，光电探测器的的应用范围也在 逐步的扩大，为我们以后的研究开发奠定了一定的开展空间。在现在这个 注重创新与节能的时代，光电探测器的有着不可替代的作用，在工业及军 事等各个领域都有着广阔的开展前景。2000年到2021年间，以 CMOS&PHOTODECTOR 为关键字的文献共 359篇，其中发表的 Conference Publications会议文献有 242篇，发表在 Journal&Magazines

22、 的报纸杂志上共有 115 篇，Early Access Articles 早期访 问文章有2篇。2.1硅基光电探测器本节介绍 PIN光电探测器、N阱/P衬底光电探测器、P+/N阱/P衬底双光电探测器和空间调制探测器。其中，响应度高响应速度快的PIN光电探测器虽然是硅基光电探测器，但是由丁其中参加了本征层，不能与标 准CMOS工艺兼容。1、PIN光电探测器在光电探测器的 P型区域和N型区域之间参加一层本征层就形成了 PIN光电探测器，由丁本征层的参加耗尽区的宽度大大提高，进而提高了 PIN光电探测器的性能，下面介绍的PIN光电探测器的 PN结是横向的，所以称为横向 PIN光电探测器。横向 PI

23、N光电探测器结构图如图2-1所示，制作横向 PIN光电探测器的 Si衬底是未掺杂的，所以衬底电阻率较 高。耗尽区在本征Si衬底形成，由丁本征衬底是未掺杂的，所以 PIN光电探测器具有比拟宽的耗尽区，因而具有比拟大的量子效率和较高的响应 度。然而，在横向结构的 PIN探测器中，电场强度由外表到内部迅速减小， 也就是说探测器的外表集中了大局部的电场强度。在低频下，横向PIN探测器的响应度是比拟高的，但只有在外表处生成的光生载流子才是快速载 流子，可以工作在高速率下。而在衬底中产生的载流子因为通过扩散运动 到达电极，从而很大程度上削弱了PIN光电探测器的性能。此外，由丁标准CMOS工艺中的衬底材料通

24、常为P型的，所以采用本征衬底的横向PIN光电探测器与标准的 CMOS工艺不兼容。图2-1横向PIN光电探测器结构图2、N阱/P衬底光电探测器N阱/P衬底结构的光电探测器是利用N阱与P衬底形成的 PN结二极管来形成光生电流信号。在入射光照射下，该光电探测器的光生电流 主要由P衬底扩散电流、N阱扩散电流和 PN结耗尽区漂移电流所构成。 对丁波长为 850 nm的入射光，硅衬底的吸收深度约为二十微米，这导致P衬底扩散电流占据了总光生电流的较大比例，由丁衬底深处的载流子扩散 时间过长，因而 P衬底扩散电流的响应速度比拟慢。对丁 N阱扩散电流 来说，由丁在业微米 CMOS工艺中 N阱的阱深通常不到1m,

25、所以N阱区域产生的光生载流子在到达耗尽区之前扩散距离端扩散时间少。通常 来讲，N阱扩散电流的本征带宽可到达数白兆赫兹。但与吸收深度相比， N阱的阱深太浅，产生的光生载流子较少，因而响应度比拟低。N阱扩散电流带宽与漂移电流相比，N阱扩散电流的本征带宽仍相对较低。下面举例说明通常情况下各种电流的速度，如在0.18 m标准CMOS工艺下，入射光波长为 850nm,低掺杂的P衬底所形成的扩散电流的本征带宽大约 3.5 MHz，在高掺杂的 P衬底中形成的扩散电流带宽约为5 MHz,比低掺杂衬底速度稍快。与衬底扩散电流相比，宽N阱的扩散电流的本征带宽大约在450 MHz左右，窄 N阱的扩散电流相对较快，带

26、宽约为 900 MHz, 但由丁 N阱/P衬底光电探测器的带宽由P衬底的扩散电流的本征带宽决定，所以该光电探测器整体带宽非常低。3、义指型 P+ /N阱/P衬底双光电探测器由上一小节的表达，由丁CMOS工艺中P衬底中产生的载流子通过扩散运动到达电极，其扩散速度和本征带宽都非常差，因此要想提高光电 探测器的本征带宽必须将P衬底产生的光生载流子消除。为了防止漂移区外衬底产生的扩散光生载流子的对探测器速度的影响，并且在标准CMOS下不增加工艺的复杂度，文献7 8提出了一种义指型双光电二极管DPD ,其结构如图 2-2所示。图2-2义指型P+/N阱/P衬底双光电探测器在义指型双光电探测器中，N阱区域的

27、面积定义为探测器的工作面积， P+保护环包围在 N阱周围。在 N阱中，并排的长条形P+扩散区作为义指型探测器的阳极，这种拓扑结构有利丁形成尽可能多的PN结耗尽区，从而能够收集更多的光生载流子。在义指型双光电二极管中，义指P+区域N阱区域和 P衬底构成 工艺中，不需要做任何修改N阱接到接收机接收P衬底和接收机的“地和N阱构成一个义指二极管，称为工作二极管； 一个二极管，叫做屏蔽二极管。在标准CMOS就可以实现该光电探测器。当双光电探测器工作时， 的电源电压，P+区域和接收机的输入端连接，而连接。由丁屏蔽二极管的两个电极与接收机的电源电压和地连接，所以产 生在P衬底的扩散载流子流进了接收机的电源，

28、没有对光接收机的输入光 电流产生奉献。而由P+和N阱构成的二极管的本身响应速度比拟高，它P+区域使用义指形状，能80产生的光电流输入光接收机，形成光响应。由丁 够增加耗尽区的面积，提高工作二极管的响应度4、空间调制光电探测器光电探测器的响应速度由丁 CMOS工艺衬底深处的慢载流子的影响，9,不能提高，为了提高光电探测器的响应速度，必须抑制或去除衬底深处的 慢载流子。在标准CMOS工艺下，空间调制光电探测器便使用了这种原理 从而提高了探测器的工作速度。空间调制光电探测器由一个受光光电探测 器和一个非受光光电探测器组成，由丁衬底产生的低速载流子被探测器通 过光电流之差消除，所以空间调制探测器的工作

29、速度得到了明显的提高 10。其结构如图 2-3所示，空间调制光电探测器的结构能够兼容与商用 CMOS工艺。图2-3空间调制探测器结构图空间调制光电探测器包括一个收集快载流子和慢载流子的受光探测器(immediate detector )和一个只收集慢载流子的非受光探测器 (deferreddetector)。非受光探测器通过覆盖金届2 (选择金届 2 一直到金届5更佳)使入射光屏蔽。当入射光照射到探测器时，被金届覆盖的探 测器不能接受光照，只产生扩散光生载流子，即慢载流子。受光探测器吸 收光照，同时产生快光生载流子和慢光生载流子，即载流子的分布被空间 调制探测器外表的金届调制了。如果我们将受光

30、探测器产生的光电流和非 受光探测器产生的光电流相减，那么就能消除扩散成分所导致的影响，去 除因扩散成分产生的光电流的托尾而提高了整体的响应速度。但这样相减 的前提是载流子的调制实际要远远小丁载流子的消失时间，也就是说只有 在光照入射的很短的一段时间内载流子分布才是被调制的，其他的时间载 流子在这两个区域是分布均匀的。分析说明，衬底掺杂浓度越小，义指周 期长度越小，空间调制光电探测器的带宽越宽。空间调制光电探测器具有 两个缺点：一、通过差分相减的方式消除了来自衬底的慢载流子，虽然提 高了探测器的速度，但对丁N阱/P衬底光电二极管来说，也损失了非常大的响应度；二、在空间调制光电探测器中，非受光探测

31、器和受光探测器 的面积相等，所以只有一半探测器的面积用来产生快载流子，几乎损失了 一半的响应度11。2.2常见的标准 CMOS光电探测器常见的光电探测器均是基丁 PN结来构造的，其原理是利用N型半导体区 域和P型半导体区域形成的 PN结耗尽区(即光电二极管)来进行光信号探测。1、N+/PWELL光电探测器常见的标准CMOS光电探测器如图2-4所示的N+/PWELL光电探测器，其 原理是减小P-SUB区慢扩散光生载流子的影响，利用 N +和PWELL形成的 PN结耗尽区来形成具有较高本征带宽的光生电流信号，但由丁是制作在P-SUB上，而 PWELL与P-SUB都是 P型半导体区域，这将导致N +

32、/PWELL光电探测器不能实现与 P-SUB有效隔离，即P-SUB区的慢光生载流 子仍能以一定的几率扩散至N+与PWELL形成的PN结耗尽区并形成光生电流，因而本征带宽不是很高。P-substrate图2-4 N+/PWELL光电探测器2、P+ /NWELL/P-SUB CMOS 双光电探测器N+/PWELL光电探测器结构改良为如图 2-5所示的P+ /NWELL/P-SUB双 光电探测器结构。在结构中构造出两个二极管，其中的工作二极管由P +和NWELL形成，屏蔽二极管那么由 NWELL和P-SUB形成。当该双光电探测器 处丁工作状态时,P+区的引出电极为输出端，NWELL的引出电极连接电源

33、(VDD), P-SUB的引出电极那么连接至地(GND)。此时两个二极管均处丁反偏状态。由丁电源和地均等效为交流地，故在交流状态下NWELL/P-SUB屏蔽二极管完全被短路至交流地。由丁 P-SUB区光生载流子完全被屏蔽二极管所吸 收，不能扩散到工作二极管区域，因而P-SUB区光生载流子形成的扩散电流完全被短路至交流地，从而彻底消除了 P-SUB区慢扩散载流子对光电探测器响应 速度的限制。此外，该双光电探测器还利用插指型 P+区使工作二极管的PN结 耗尽区最大化，从而可迅速地收集工作二极管区域内的光生载流子，使光电探测器的响应度和本征带宽得到了进一步提高。P-substrate图2-5 P+

34、/NWELL/P-SUB CMOS双光电探测器3、差分光电探测器基丁 P+/NWELL型PN结的全差分光电探测器，其结构图见2-6。该全差分光电探测器由两个形状和尺寸完全相同且对称的方形P+/NWELL/P-SUB双光电二极管组成，且每个双光电二极管的受光区域面积为总受光区域面积的一 半。由P + /NWELL/P-SUB CMOS双光电探测器的工作原理可得该结构的优点是 防止慢光生载流子大大降低光电探测器的本征带宽和光信号探测速度。提高了响应度。但缺乏之处是设计较为简单，不能到达较好的全差分特性。P- substrate图2-6基丁 P+/NWELL型PN结的全差分光电探测器2.3谐振腔增强

35、型光电探测器(1) 、PIN RCE光电探测器该类型的探测器能够成为高速光电探测的首要选择的器件12,主要基丁其噪声小、暗电流特性好。工作波长在1.55 m左右，由Dentai等人报道了的InGaAs/ InGaAs/InP结构的RCE PIN光电探测器13。器件如图2-7所示，入 射光垂直进入器件，上下反射镜都是由Brag反射镜构成，合理的优化设计反射镜的堆栈结构，调整顶部反射镜、底部反射镜的反射率，以及谐振腔腔体的尺寸 厚度，使得器件的量子效率到达最大值。、Rt表示顶部反射镜的反射率，Rb表 示底部反射镜的反射率，当 Rt=0.7, Rb=0.95，吸收层的厚度为200nm时，器件 的最大

36、量子效率为82%。h v图2-7谐振腔增强型PIN光电探测器的结构图(2) 、RCE肖特基(Schottky)光电探测器RCE Schottky光电探测器是首批被报道的 RCE器件之一 14。光从顶层入 射时金届层的透光较差，所以顶层应换成半透明层 Schottky接触。近年来谐振腔 增强结构的光电探测器是光电子器件的主要新种类， 它很好的解决了普通光电二 极管量子效率和带宽问相互约束的关系，所以 RCE光电探测器对肖特基型光电 检测器具有很大的影响力。现已报道光电二极管的3dB响应带宽可做到l00GHz37,其采用的谐振腔 结构。采用分子束外延法 MBE (molecular beam ep

37、itax来生长反射镜结构，顶 层反射镜为Au接触层，在Au接触层上再淀积一层Si3N4增透膜来增加透光， 底层反射镜是由AlAs-GaAs材料组成DBR反射镜结构。并通过合理的优化设计 InGaAs吸收层在谐振腔腔体中的位置，使得光生载流子的输运时间最短，从而 提高探测器的响应速率。(3) 、金届/半导体/金届(MSM)结构的RCE光探测器MSM结构基于其平面配置结构电极，本身电容较小，极易获得高的响应带 宽(2050GHz)15,16,谐振微腔的引入，进一步缩小了器件的响应光谱宽(1nm)。 虽然响应带宽较高，但量子效率仍然不高。假设入射光光照是mw级的照射，其生 成的响应电流仅有nA级别。

38、(4) 、RCE雪崩光电二极管(APD)RCE雪崩光电二极管的结构也得到很大的关注和研究，并有相应的成果展 示18,19。电子在跃迁的过程中得到足够多的能量，同时在电场的作用力下加速， 形成碰撞电离，形成的电子-空穴对在电场的作用下加速，进而产生更多的电子 - 空穴对，这就是二极管的雪崩倍增效应，使得光电二极管在低压下即可获得较大 增益，增益区电场强度得到了增强，器件可在小功率下工作。现在，已报道的实际测得的RCE光电探测器最好的性能指标为：量子效率 73%,光谱响应半峰宽为1.7nm,接近理论上的极值，彳艮难在保持量子效率很高 的同时获得窄的谱线宽。另外，由于驻波效应的影响，吸收层的位置也会

39、对量子 效率造成影响20。当吸收层非常薄时(200nm),可采用改变谐振腔的腔长或者 材料来进行调谐时，吸收层位置的微小移动将会影响吸收层中的光电场分布在最 值的之间波动，影响器件的量子效率。(5) SOI基CMOS RCE光电探测器普通的RCE光电探测器利用VCSEL激光器提供光源，其入射光方式都是 垂直入射，在衬底上依次生长底层 DBR层、吸收层、顶层DBR。为了结构的简 单，有些顶层DBR直接利用空气与半导体界面的反射，其反射率约为 34%。光线P衬底U4波长 分布布拉格反射图2-8基丁 SOI CMOS工艺的RCE光电探测器的根本结构Si膜P-substrate图2-9 SOI基CMO

40、S RCE光电探测器的结构SOI基CMOS RCE光探测器的DBR顶镜反射镜采用Si-SiO2组成，底部反射镜 由材料本身的埋氧化层厚度决定，PN结的耗尽区作为器件的吸收层，来设计850nm通信波段的RCE光探测器，器件结构如图2-8、2-9所示。入射光透过 顶部反射镜进入谐振腔,在上下反射镜构成的谐振腔作用下光在其中来回的行 进，假设腔体设计合理，可使得光波得到谐振增强，耗尽层中吸收的光能量转化为 电信号输出。三、光电探测器的现状评述及未来预测目前，随着光纤通信、红外遥感和军事应用需求的不断增长促进了半导体光 电器件及其光电路的开展。围绕着光电系统开展各种关键技术研究， 以实现具有高集成度、

41、高性能、低功耗和低本钱的光电探测器。光电探测器作为光纤通信中解复用接受技术的关键器件之一，未来应该具有一些鲜明的特点：信道中心波长 位置可以调谐、高速、单片集成，相应的其他一些特点也应该具有：信道波长的 分辨能力强、调谐时间短、温度稳定性高、结构密集，本钱低等。响应度与量子 效率之间相互约束的问题不仅在RCE光电探测器这种结构的器件上得以解决，同时还使其具有量子效率高、响应度高以及波长选择等特性，成就了谐振腔型光 电探测器的在 WDM系统中的解复用接受应用的理想选择。不过，还有局部需要改良，如可调谐、较好的通带性能、易丁集成等。所以，还是需要进一步的研究 RCE光电探测器的性能，以期这些特性的

42、实现。四、参考文献1 Mao Luhong, Simulation and Design of a CMOS-Process-Compatible High-Speed Si-Photodetector, CHINESE JOURNAL OF SEMICONDUCTORS Feb., 20022 Daniel Durini ,Photodetector Structures for Standard CMOS Imaging Applications,2007,123 Sunil S. Konanki and Fred R. Beyette Jr , “ Characterization an

43、d Performance Evaluation of CMOS Based Photodetectors , Submitted to, IEE E0004 胡红光一种光电探测器电路的设计2000.65 G. N Lu, P. Pittet, G. Carrillo andA. El Mourabit, On-Chip Synchronous Detection for CMOS Photodetector,2002,6 LEI Xiao quan , Simulation and Measurement of MS/RF CMOS2Compatible Photodetectors, Jo

44、urnal of Optoelectronics - Laser,Vol.17 No.12 Dec.20067 H. Zimmermann, Integrated High-Speed, High-Sensitivity Photodiodes andOptoelectronic Integrated Circuits, Sensors and Materials, 2001, 13(4):1892068 毛陆虹，陈弘达，吴荣汉等，与CMOS工艺兼容的硅高速光电探测器模拟与设计，半导体学报，2002, 23 (2) : 1931979 Coppee, D., Pan, W., Vounchx,

45、 R., et al. The spatially modulated light detector,Optical Fiber Communication Conference and Exhibit, OFC 98., Technical Digest,1998: 31531610 J. Genoe, D. Coppee, J.H.Stiens, et al. Caculation of the current response ofthe spatially modulated light CMOS detectors, IEEE Trans. Electron Device, 2001

46、,48(9) :1892190211 余长亮，毛陆虹，肖新东，一种新颖全差分光电集成接收机的标准CMOS实现，光电子？激光,2021 , 20(4) : 432435 EI: 2021211209121412 刘凯,黄永清，任晓敏.考虑不同层材料折射率差时的谐振腔增强型光电探测器分析J.光电子激光,1998,9(5): 360-371.13 B. M. Onat, M. Gokkavas, et al. 100GHz resonant cavity enhanced schottky photodiodes J.Photonics Technol. Lett, 1998, 10(5):707-

47、709.14 U. Prank, et al. MSM photodetector with integrated fabry-perot resonantor for wavelength demultiplexing high bandwidth receivers J. Appl. Phys. Lett, 1993, 62(2):129-130.15 S. L. Zhou, D. P. Peng, Y. L. Qin, et al. On the performance analysis and design of a novelshared-layer integrated devic

48、e using RCE p-i-n PD/SHBT J. Proc. of SPIE, 2007, 6782: 0J1-0J8.16 S. S. Murt, K. A. Anselm, et al. Resonant-cavity-enhanced (RCE) separate absorption and multiplication (SAM) avalanche photodetector (APD) J. Photonics Technol. Lett. 1995,7(12):1486-1488.17 E. Mao, D. R. Yankelevich, et al. Waveleng

49、th-selective semiconductor in-line fiber photodetectors J.Electronics Letters, 2000, 36(6):515-516.18 A. K. Ganguly, A. Ganguly, M. Bhoumic, et al. High-speed metal-semiconductor-metal photodiodeC. ICIIS, 2021:1-4.19 M. S. Unl . Resonant cavity enhanced photonic devices J. Appl. Phys. 1995, 78(2):607-639.20 J. A. Jervase, H. Bourdoucen.Design of resonant-cavity-enhanced photodetectors using genetic algorithms J. Quantum Electron, 2000, 36(3):325-332.