四象限InGaAs APD探测器的研究

2023年12月13日发(作者：海市蜃楼意思)

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四象限InGaAs APD探测器的研究

王致远;李发明;刘方楠

【摘 要】文章中设计的四象限InGaAs雪崩光电二极管(Avalanche Photo

Diode,APD)的管芯结构采用正入光式平面型结构,而材料结构采用吸收区、倍增区渐变分离的APD结构,在对响应时间、暗电流和响应度等参数进行计算与分析的基础上,优化了器件结构参数.试验结果表明,其响应时间≤1.5 ns,响应度≥9.5 A/W,暗电流≤40 nA,可靠性设计时使PN结和倍增层均在器件表面以下,可有效抑制器件表面漏电流,提高器件的可靠性.

【期刊名称】《光通信研究》

【年(卷),期】2007(000)006

【总页数】4页(P43-46)

【关键词】InGaAs雪崩光电二极管;吸收区倍增区渐变分离-雪崩光电二极管;光谱响应范围;响应度;暗电流

【作 者】王致远;李发明;刘方楠

【作者单位】重庆邮电大学,光电工程学院,重庆,400065;重庆邮电大学,光电工程学院,重庆,400065;重庆邮电大学,光电工程学院,重庆,400065

【正文语种】中 文

【中图分类】TN3

InGaAs材料制作的探测器具有直接禁带、室温工作和高纯度的优点，由它制作的光电探测器具有极低的暗电流和噪声。在过去的十多年中，在光纤通信需求的推动下，InGaAs材料和器件有了很大的发展，现在已经能制备出性能非常优良的探测器。激光导引头、激光经纬仪等光电跟踪、定位和准直仪器中常用四象限探测器作为光电传感器。激光制导武器的核心器件便是激光导引头，位于导引头最前端的象限光电探测器是捕获目标、判断目标位置、分析目标状态的第一信息的关键部分［1］。开发In-GaAs四象限探测器已成为激光制导、激光瞄准、探索和跟踪等装备的迫切需求，也是民用大气检测、土壤水分和碳化物等监控所需象限探测器的发展趋势［2］。

1 工作原理及器件参数设计

1.1 工作原理

四象限探测器的基本工作原理如图1所示。器件的4 个象限同时工作在反向偏压下，当光照射时，在每个象限耗尽区内，光激发产生的载流子分别向两极运动，电子在运动过程中经过具有高电场的电荷层加速，在倍增层内碰撞产生大量的空穴电子对（雪崩效应），在外电路形成比光激发电流大得多的雪崩电流，实现器件的增益，同时，也将光信号转换成了4 路电流信号，如图1（a）所示。

光斑在探测器上移动时，外电路将产生与光斑面积相对应的光电流，外部处理电路将按下列两式将4路信号（u1、u2、u3、和u4）转化为两路信号（ux、uy）：ux=［（u1+u4）-（u2+u3）］／（u1+u2+u3+u4），uy=［（u1+u2）-（u4+u3）］／（u1+u2+u3+u4）。据ux、uy 信号可判断出光斑的移动方向，从而实现对目标准直和跟踪等任务，如图1（b）所示。

图1 四象限探测器工作原理简图

1.2 器件参数设计

1.2.1 光谱响应范围

四象限InGaAs雪崩光电二极管（Avalanche Photo Diode，APD）探测器由4 个独立的单管In-GaAs APD 探测器组成，以下针对单管InGaAs APD 探测器进行分析。

InGaAs APD 探测器的光谱响应范围主要由光吸收层材料、器件结构和制作工艺所决定。而正入光式InGaAs APD 探测器的光谱响应范围主要由器件外延材料中具有最窄和最宽能带带隙的外延层决定。在T=300 K 时，长波限由窄能带带隙（Eg=0.73）的吸收层材料In0.53Ga0.47As决定，短波限由宽能带带隙（Eg=1.35）的器件倍增层和电荷层材料InP决定。其响应截止波长［3］为

式中，h为普朗克常数；γ为入射光频率（单位：Hz）；Eg为材料能带带隙（单位：eV）。

由式（1）得，InGaAs APD 探测器光谱响应长波限λL=1.70μm，短波限λS=0.92μm，因此，其覆盖的光谱范围是0.92～1.70μm，满足器件性能要求。

1.2.2 响应度Re

InGaAs APD 探测器响应度Re定义为在给定的光波长下，单位光功率所产生的输出光电流，可表示为

式中，q为电子电荷（单位：eV）；η=（1-r）［1-exp（-αWa）］为量子效率；λ为入射光波波长（单位：μm）；c为光速（单位：m／s）；r 为菲涅耳反射系数；α为材料吸收系数（单位：μm-1）；Wa为吸收层耗尽宽度（单位：μm）。

对于λ=1.55 μm，取r=0.1，吸收层In0.53Ga0.47As完全耗尽Wa≈2.2～2.4μm。为满足性能要求，须使器件具有M ≥9.6的倍增因子。

倍增因子：为了在InP 倍增区获得显著的雪崩倍增，要求PN 结区的最大电场EM＞4.5×105 V／cm。倍增因子

式中，keff为离化因子比；WM为倍增区宽度（单位：μm）；M 为倍增因子；αh为空穴离化率（单位：cm-1）。

1.2.3 象限暗电流ID

暗电流ID由扩散电流、隧道电流、表面电流和产生-复合电流4部分组成。

扩散电流Idif：InGaAs APD 扩散电流起源于耗尽区四周的非耗尽区P区（InP）和N 区内热激发的少数载流子向耗尽区的扩散。对一个高P 型掺杂浓度的平面型InGaAs APD 器件，扩散电流主要来自PN 结边缘非耗尽区域的少数载流子对P区的扩散。又因为N 区少子空穴向耗尽区扩散形成的电流比P区少子电子向耗尽区扩散形成的电流大得多（P区杂质浓度高于N 区约3个数量级），所以扩散电流表示为

式中，Dp为少子扩散系数（单位：cm2／s）；τp为少子寿命（单位：s）；Adet为结面积（单位：cm2）；ND为施主浓度（单位：cm-3）；ni 为本征载流子浓度（单位：cm-3）；ψ0 为内建电场电压（单位：V）；VR为偏置电压（单位：V）；kB为玻耳兹曼常数（单位：J／K）；T 为开氏温度（单位：K）。

隧道电流ttur：当器件内部电场足够高时，暗电流的大小由隧道过程或雪崩过程所决定。为使器件具有好的性能，要求将隧道电流对暗电流的影响降到最小。在本器件材料结构参数设计优化时，避免了隧道击穿，因此，隧道电流很小，可忽略不记。

2 管芯结构、外延材料结构及可靠性设计

2.1 管芯结构设计

目前，InGaAs APD 芯片结构从工艺上可分为台面型和平面型两种。

台面型APD 芯片结构在生长外延材料时即可形成器件的PN 结，但制作探测器时PN 结将完全暴露在外，只能选用聚酰亚氨等钝化材料来保护被暴露的PN 结，这将使得器件的暗电流增大，尤其对大面积长周边和高工作电压的InGaAs APD 探测器有较大的影响，并且这种工艺实施的难度也很大，一旦PN 结被氧化，器件的暗电流就会很大而导致器件失效。

平面型结构器件的PN 结被埋入外延层内，它远离器件表面，表面漏电流受到了抑制，并增加了器件工作的可靠性，工艺实施难度也较小。

基于上述分析，结合具体情况，四象限InGaAs APD 芯片选择正入光式平面型结构。

芯片结构的平面图和剖面图分别如图2（a）、（b）所示。

2.2 外延材料结构设计

图2 芯片结构图

在该设计中，四象限InGaAs APD 材料结构采用非常成熟的吸收区、倍增区、渐变分离的APD 结构（SAGM-APD）（如图3 所示）。大量的研究结果及实验证明，SAGM-APD 结构的探测器具有暗电流低、量子效率和增益带宽积高、可靠性比台面型结构高的优势。在该结构中，PN结被设计在宽带隙的InP 层中，减小了器件的暗电流；同时，在InP 与InGaAs 之间引入能带渐变的In-GaAsP，减少了光生载流子在其界面的积累时间。因此，采用该结构设计的器件具有高响应速度、低暗电流、高量子效率和良好的光电增益等特点［4～5］。

图3 InGaAs／InP SAGM APD 结构

2.3 可靠性设计

InGaAs APD 探测器是高偏置工作器件，对器件进行可靠性分析、设计是非常必要的。以下对器件的材料结构、芯片结构和制作工艺等方面作可靠性分析和设计：

（1）外延片材料的可靠性设计：高偏置工作的InGaAs APD 探测器对器件材料的晶体质量有很高的要求。材料晶体的质量直接影响器件的暗电流等敏感参数以及可靠性，其中，位错密度和晶格失配是表征晶体质量的两个重要参数。在材料生长时，要求将外延层之间的晶格失配率控制在-1 000×10-6～0，衬底位错密度控制在≤500cm-2。

（2）器件结构可靠性设计：四象限InGaAs APD器件结构采用正面受光的平面结构，使PN 结和倍增层均在器件表面以下，以有效抑制器件表面漏电流，提高器件的可靠性（相对台面器件）。

（3）在InGaAs APD 结构中，雪崩倍增区边缘与器件表面交界沿半导体／钝化介质膜界面有很强的电场，电场因曲率效应容易导致倍增区主结边缘优先击穿或低击穿，电场会在钝化介质膜内注入陷阱形成电流通道，使钝化膜击穿电压降低或失效，导致器件出现软击穿或失效。因此，器件表面钝化膜具有低的界面态密度和不形成表面反型层的适当界面态电荷。

（4）电极：通过选用双层材料金属化延伸P 电极的方式，避免了键合应力直接加在器件的有源区而引入缺陷造成器件的失效和损坏，同时降低了欧姆接触电阻，提高了响应时间，又满足了压焊要求，提高了器件的成品率。

3 研制过程

在研制过程中，我们对象限腐蚀隔离槽做了单项工艺实验：该器件工作电压高，耗尽区宽，做象限隔离槽设计的主要目的是为了减小象限间的串扰。隔离槽设计需要断开器件的耗尽层，且表面要易于钝化。经单项实验，我们找到了合适的腐蚀液配方；隔离槽深度＞15 μm，宽度＞20 μm，斜面坡度＜40°；表面用氮化硅钝化，且钝化效果好。根据工艺流程和光刻版图（如图4所示），在工艺线上做了流片。

图4 光刻版图

在研制过程中，我们发现了以下问题：

（1）象限隔离槽展宽了象限间距，导致器件工作盲区增大，降低了器件的性能；

（2）器件工作电压过高（工作点（击穿电压）为0.9～0.95V），在系统的使用上产生了较大的负荷和功耗；

（3）器件可用增益低，导致最终响应度不高； （4）器件暗电流大，噪声大；

（5）雪崩边缘倍增效应抑制不够，表现为器件边缘响应度远远高于中心，象限间和象限内的响应度均匀性差，导致器件成品率低。

针对以上问题，结合实际工艺，我们进行了以下的改进：

（1）对象限隔离槽存在的必要性做了单项实验评估：利用类似的光刻版图将象限间距降低到75μm，制作出的器件在工作状态下（4个象限同时加工作电压）象限串扰低于2%。为了降低器件的工作盲区，提高器件的可靠性，决定在工艺流程中取消象限隔离槽的制作步骤。

（2）通过对器件所用外延材料的理论分析和计算，在保证器件具有一定的响应度和倍增的情况下，对器件外延材料的吸收层、电荷层和雪崩层的参数作了优化：降低了雪崩层的杂质浓度，减少了电荷层的厚度，略微调宽了吸收层（InGaAs）的厚度。实验证明，材料参数的调整对降低器件击穿电压是行之有效的。

（3）加强了对器件表面钝化膜的研究。在降低器件暗电流的同时，增强器件表面抗腐蚀能力，提高了器件的可靠性。

（4）通过对国外大量相关资料和工艺上的单项实验数据进行分析，我们发现：阶梯PN 结对抑制雪崩边缘击穿效应在理论上是有效的，也是目前国外运用最多的手段之一，但是阶梯PN 结对其形成的扩散工艺要求非常高，两次扩散形成的PN 结结深差要求控制在0.2～0.3μm，对现行工艺线来说，做到这样的精确控制是非常困难的。因此，在大量实验后，我们对器件工艺重新做了优化：用保护环的扩散方式替代阶梯PN 结来抑制雪崩边缘击穿效应。在制作保护环APD 的工艺中，采用两次扩散工艺来形成PN 时，通过两次介质膜工艺、两次光刻工艺定义不同尺寸的扩散窗口，能在一次保护环和中心结边缘形成渐变结，在二次中心结平面区域形成突变PN 结。

保护环对雪崩边缘倍增效应的抑制效果是有效的、合理的，且该扩散方法具有较好的重复性，工艺周期短，扩散对材料表面影响小，利于后续介质膜和光刻工艺的进行。表1给出了采用该技术前后的实验数据对比情况。

表1 采用保护环技术前后参数对比

经改进后，响应波长达到1.0～1.6μm；响应度Re≥9.5μA／μW＠M=10；击穿电压VBR：40～50V；最大可用增益M ＜20；暗电流ID≤90nA＠M=10；响应时间tr≤2.1ns。

4 结束语

本文对四象限InGaAs APD 探测器的结构设计、材料选择、可靠性设计及研制过程进行了讨论。近几年来，随着超高速光通信、信号处理、测量和传感等技术的发展，需要有超高速高灵敏度的半导体光电探测器［6］。为此人们提出了谐振腔增强型光电探测器（RCE-PD）和波导型光电探测器（WGPD）等新颖的结构，此外，超晶格雪崩二极管（SL-APD）、金属-半导体-金属光电探测器（MSM）、单渡越载流子光电探测器（UTC-PD）的研究也都取得了很好的结果。国外很多研究机构已经研制出了成熟的InGaAs阵列探测器，它们被广泛应用于军事、空间遥感和民用等领域，但这类器件对外延材料和制作工艺有较高要求，国内的研究还比较薄弱。

参考文献：

【相关文献】

［1］谭千里.四象限探测器组件在激光制导技术中的应用［J］.半导体光电，2005，26（2）：155-157.

［2］莫才平，高新江，王兵.InGaAs四象限探测器［J］.半导体光电，2004，25（1）：19-21.

［3］施敏.半导体器件物理与工艺［M］.北京：科学出版社，1992.

［4］Piotrowski J，Kaniewski sation of InGaAs infrared photovoltaic detectors［J］.IEEE proc optoelectron，1999，146（4）：173-176.

［5］Rogalski structure infrared photovoltaic detectors［J］.Infrared Physics&Technology，2000，41：213-238.

［6］黄章勇.光纤通信用光电子器件和组件［M］.北京：北京邮电大学出版社，2007.

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