微電子與電子2

1、第3章 光接收器件及集成技術(shù)3.3 基于IIIV族半導(dǎo)體材料的光電探測器半導(dǎo)體光電探測器是利用內(nèi)光電效應(yīng)進(jìn)行光電探測的，通過吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對從而在外電路產(chǎn)生光電流。其過程可以分為三步：光子吸收產(chǎn)生電子-空穴對，在適當(dāng)內(nèi)電場作用下載流子的漂移，歐姆接觸收集載流子。半導(dǎo)體光電探測器有以下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、低工作電壓、寬頻譜范圍、高量子效率、器件穩(wěn)定性好、工作溫度范圍寬、可批量生產(chǎn)、成本低等。正是由于這些優(yōu)點使半導(dǎo)體光電探測器得到了廣泛應(yīng)用，從可見光波段到紅外波段，從光纖通信到光學(xué)測距，從激光制導(dǎo)到光電成像，半導(dǎo)體光電探測器都顯示了其優(yōu)異的性能。和激光器不同，眾多半導(dǎo)體材料都可用來制造光電探測

2、器。只要入射光波長在半導(dǎo)體材料的光譜吸收范圍，即使是硅鍺這樣的間接帶隙材料也可用來制造光電探測器。這些材料包括：IV族單晶Si，Ge；IIIV族二元及多元組分化合物GaAs，InP，InSb，GaAlAs，InGaAs，InGaP，InGaAsP等。對于硅這樣間接帶隙材料其光譜吸收曲線不像GaAs那樣具有陡峭吸收邊，其吸收系數(shù)也相應(yīng)小許多，其波長吸收極限為1.1m。在小于這一波長范圍內(nèi)，硅是廣泛使用的光電探測器材料。由于其電子與空穴離化率之比很高，用它制成的雪崩二極管的噪聲很小，從而使得帶寬增益很大。鍺的光譜吸收范圍最寬，覆蓋了可見光波段到光通信波段。因此鍺可用來制造長波長1.3 m和1.55

3、 m波段光纖通信探測器。鍺光電探測器遇到主要問題是其暗電流較大，從而導(dǎo)致了靈敏度、光譜響應(yīng)及溫度穩(wěn)定性等一系列問題而限制了它的應(yīng)用?，F(xiàn)在光通信波段廣泛使用的光電探測器材料是InGaAs和InGaAsP，這些III-V族組分化合物可以通過調(diào)整各組分的含量以改變禁帶寬度，從而使其光譜吸收曲線拓展到光通信波段。根據(jù)光電探測器結(jié)構(gòu)的不同，光電探測器可以分為4種：即pn結(jié)光電探測器、PIN光電探測器、APD雪崩光電二極管及金屬半導(dǎo)體金屬M(fèi)SM光電探測器。其中pn結(jié)光電探測器是結(jié)構(gòu)最簡單的一種探測器，其結(jié)構(gòu)為一個普通的pn結(jié)，光生載流子在電場作用下漂移到pn結(jié)兩邊。由于普通pn結(jié)耗盡區(qū)太窄，光生載流子含有

4、擴(kuò)散成分，嚴(yán)重影響了器件工作速度。因此人們在pn結(jié)中間加了一層本征層以增加耗盡層寬度，這樣就使得光生載流子在強(qiáng)電場作用下漂移到pn結(jié)，避免了載流子擴(kuò)散成分對光電探測器的影響，極大地提高了工作速度。APD結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，具有內(nèi)部增益功能，因此其響應(yīng)度和信噪比S/N都比較高。MSM結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝和微電子工藝兼容，便于和場效應(yīng)管電子器件集成實現(xiàn)OEIC光電子集成回路。 PIN型光電探測器1.PIN基本結(jié)構(gòu) 圖3-9 PIN光電探測器基本結(jié)構(gòu)如圖3-9（a）所示為PIN光電探測器基本結(jié)構(gòu)，N型襯底上生長一層低摻雜本征層，在淀積的SiO2上開窗形成P型注入?yún)^(qū)。分別在N型襯底和表面做歐姆接觸，其中表面的歐

5、姆接觸需要開窗以便于光線入射。為了減少入射表面的反射以提高器件外量子效率，需要在表面涂一層抗反射膜。在這種結(jié)構(gòu)中P型注入?yún)^(qū)要比本征區(qū)薄得多，這樣就能使大部分入射光在本征區(qū)被吸收，既提高了量子效率又提高了速度。圖3-9（b）為端面入射結(jié)構(gòu)，P型和N型接觸分別做在襯底上下表面而將入射光改為在端面入射。這種結(jié)構(gòu)消除了表面入射結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的P型區(qū)域的吸收，減小了入射光的損耗。此外它將光的入射方向和載流子的運(yùn)動方向分開，因此我們可以把本征區(qū)做得很長以便于入射光的吸收從而提高量子效率的同時不影響載流子的漂移時間。這樣既提高了響應(yīng)度又提高了工作速度。此外，我們還可以在另一個端面涂一層反射膜進(jìn)一步促進(jìn)光的反射吸收

6、。通過優(yōu)化兩個端面的反射率形成共振諧振腔增強(qiáng)型RCE結(jié)構(gòu)可以有效地提高入射光的吸收。2.異質(zhì)結(jié)PIN圖3-10（a）是一個典型的異質(zhì)結(jié)PIN13，P型和N型區(qū)域均為InP，本征層In1-xGaxAs生長在N型InP襯底上。當(dāng)X=0.47時InGaAs和InP之間晶格匹配，并且窄的禁帶寬度能使光譜響應(yīng)達(dá)到1.65 m。由于InP的禁帶較寬（1.34 eV），根據(jù)式（35）可知它的本征吸收截止波長為0.92 m。因此對于波長大于0.92 m的入射光InP呈透明狀態(tài)，如圖3-10（b）所示。通過消除表面pInP的吸收增加了入射光在本征區(qū)的吸收，有效地提高了響應(yīng)度。表面吸收的消除還使得在0.92 m和

7、1.65 m范圍內(nèi)波長響應(yīng)曲線變得平坦。這是因為吸收系數(shù)隨入射光波長減小而增大，相應(yīng)的吸收長度隨入射光波長減小而減小。在沒有消除表面吸收的情況下，對于短波長的入射光有很大一部分在表面被吸收，對于表面吸收產(chǎn)生的載流子會由于表面態(tài)等原因很快被復(fù)合掉。由于這部分載流子未漂移到pn結(jié)就被復(fù)合掉，因此對光電流沒有貢獻(xiàn)，這樣就使得短波長光的響應(yīng)度偏低，造成光譜吸收曲線不平坦。需要注意的是只有當(dāng)本征區(qū)寬度足夠大（比吸收長度大得多）時，光譜吸收曲線才會平坦。當(dāng)本征區(qū)較窄時，響應(yīng)度還是會隨波長的增加而下降，即光譜吸收曲線不再平坦。此外，這種結(jié)構(gòu)由于光吸收發(fā)生在本征耗盡層中，不含有本征區(qū)外的載流子擴(kuò)散，因此極大地

8、提高了速度。圖3-10 InGaAs/lnP異質(zhì)結(jié)PIN APD光電探測器雖然PIN結(jié)構(gòu)通過擴(kuò)展空間電荷區(qū)有效地提高了工作速度和量子效率，但是它無法將光生載流子放大，因此信噪比和靈敏度還不夠理想。為了能探測到微弱的入射光，我們希望光電探測器具有內(nèi)部增益，即少量的光生載流子在倍增電場作用下能產(chǎn)生較大的光生電流。雪崩光電二極管就是這樣一種光電探測器，它是一種具有內(nèi)部增益、能將探測到的光電流進(jìn)行放大的有源器件。APD的工作原理為雪崩電離效應(yīng)，即在np結(jié)附近有一高電場，光生電子和空穴在該區(qū)中被加速，獲得很高的能量。如果載流子能量足夠大則它將會去碰撞晶格原子，使束縛的電子電離，從而在導(dǎo)帶和價帶產(chǎn)生一對電

9、子空穴對。因碰撞產(chǎn)生的載流子也會被加速并繼續(xù)去碰撞其他晶格原子，進(jìn)一步產(chǎn)生電子空穴對，如圖3-16所示。內(nèi)置前放大電路型APD應(yīng)用：激光測距，醫(yī)學(xué)檢測，激光雷達(dá)等 圖3-16 APD雪崩電離示意圖 常用的APD為拉通型APD，如圖3-17所示，它在PIN的吸收區(qū)i層和n層之間插入了一薄層P型層，形成npIp+結(jié)構(gòu)，這一新加入的P型層是一雪崩區(qū)。所謂拉通指的是在較大的外加偏壓下耗盡區(qū)從np結(jié)拉通到p表面，使整個低摻雜的冗區(qū)都為空間電荷區(qū)。其工作原理如下：首先入射光在寬的耗盡區(qū)被吸收，產(chǎn)生的光生載流子在外電場作用下被分開各自朝正、負(fù)兩極運(yùn)動。對于圖3-17所示結(jié)構(gòu)，空穴被外電場掃向p區(qū)，電子則在外

10、電場作用下朝np結(jié)運(yùn)動，在np區(qū)強(qiáng)電場作用下發(fā)生雪崩倍增。圖3-17 拉通型APD這種拉通型APD具有穩(wěn)定的倍增系數(shù)，消除了APD的倍增系數(shù)隨偏壓改變而改變的特性。之所以倍增系數(shù)的大小依賴于外加偏壓值，是因為以下兩個原因： （1）電子和空穴兩種載流子同時倍增引起了正反饋效應(yīng)； （2）載流子離化率隨電場的增大而指數(shù)增加。在圖3-17拉通結(jié)構(gòu)中只有電子參與了雪崩倍增過程，空穴只在耗盡區(qū)電場作用下向p區(qū)漂移，并不參與雪崩電離。因此消除了兩種載流子倍增引起的正反饋效應(yīng)。此外，拉通型APD具有很寬的耗盡區(qū)，I區(qū)比倍增區(qū)寬得多，外加電壓的變化部分加在了耗盡區(qū)從而保持倍增區(qū)電場的相對穩(wěn)定。拉通型APD還具有

11、高速、高響應(yīng)度等特點，在PIN中雖然在I區(qū)中載流子能以較大漂移速度運(yùn)動，但在離本征區(qū)邊界一個擴(kuò)散長度內(nèi)的載流子仍然需要經(jīng)過緩慢的擴(kuò)散才能到達(dá)耗盡區(qū)，這一部分載流子的擴(kuò)散時間就影響了PIN的工作速度。而在APD中所有的光吸收都發(fā)生在寬的耗盡區(qū)中，避免了載流子的擴(kuò)散，既提高了工作速度，又使得入射光被充分吸收，從而提高了響應(yīng)度。 MSM光電探測器MSM是一種平面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，易于和場效應(yīng)管單片集成實現(xiàn)OEIC光電子集成回路。如圖3-21所示。未摻雜的GaAs外延生長在半絕緣襯底上，接著在GaAs表面淀積金屬形成肖特基二極管結(jié)構(gòu)，相互錯開的電極各自加正負(fù)電壓使電極間的GaAs耗盡，入射光在這個耗盡區(qū)

12、被吸收并在電場作用下向正負(fù)電極漂移形成光電流。通過優(yōu)化金屬電極數(shù)目和間距可以在適當(dāng)?shù)钠珘合率菇饘匐姌O間完全耗盡，從而既提高速度又提高響應(yīng)度。這種結(jié)構(gòu)還具有以下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單易于制作且成品率高；寄生電容低，工作速度可以達(dá)到很高。圖3-21 MSM光電探測器3.3.4 GaN光電探測器GaAs基可見光電探測器及InGaAs/lnGaAsP基長波長光電探測器不同，GaN基紫外光電探測器的光響應(yīng)波長是200360 nm的紫外波段。紫外探測技術(shù)可用于宇宙飛船、紫外天文學(xué)、導(dǎo)彈尾焰探測、環(huán)境污染監(jiān)視、火箭羽煙探測、火災(zāi)監(jiān)測等領(lǐng)域中。目前常用的紫外光電探測器主要有紫外光電倍增管及Si基紫外光電二極管。光電倍

13、增管是真空器件，能探測單光子，具有高靈敏度、快響應(yīng)速度、低噪聲等優(yōu)點。但它體積龐大需要在高電壓下工作，易損壞且成本高，不利于推廣使用。Si基紫外光電二極管需要額外昂貴的濾光片，而紫外光電探測器大多工作在惡劣的條件下需要耐高溫，且其他一些應(yīng)用領(lǐng)域，像空氣質(zhì)量監(jiān)視、氣體敏感元件及紫外光劑量測量，都要利用寬禁帶光電探測器來完成。這樣人們迫切需要一種性能優(yōu)異的寬禁帶材料以應(yīng)用于這些領(lǐng)域。GaN為寬直接帶隙半導(dǎo)體材料（室溫禁帶寬度約3.4eV），其物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有高的擊穿場強(qiáng)，高的熱導(dǎo)率。GaN基三無合金AlxGa1-xN，隨著Al組分的變化帶隙在3.46.2eV之間連續(xù)變化，帶隙變化對應(yīng)的波長

14、范圍為200365nm，覆蓋了大氣臭氧層吸收光譜區(qū)（230280nm），是制作太陽盲區(qū)紫外光電探測器的理想材料之一。因此，世界各國把GaN紫外探測技術(shù)列為研究開發(fā)的重點課題。 圖3-23 采用Si襯底利用AIN做緩沖層的光導(dǎo)型探測器Khan等人25在1992年報道了第一支高質(zhì)量GaN材料光電導(dǎo)探測器，它以藍(lán)寶石為襯底通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積（MOCVD）方法生長而成。光響應(yīng)波長為200365 nm，在365nm處最高增益達(dá)6×103。在5 V的偏壓下響應(yīng)度最高可達(dá)2000 A/W。隨后，由于Si材料成熟的工藝技術(shù)且易于集成等優(yōu)點，人們試圖將GaN材料生長在Si襯底上以利于和電子器件的

15、集成。Stevens等人26在Si襯底上生長P型GaN薄膜，但光響應(yīng)度較低，在14V偏壓下最高響應(yīng)度只有30 A/W。由于Si和GaN之間大的晶格失配（17%）和熱失配（20%），若直接在Si襯底上生長GaN則會由于晶格失配位錯等原因嚴(yán)重影響器件性能。為了解決這一問 題，人們使用緩沖層，如圖3-23所示。在Si（111）方向上先用MOCVD方法生長AIN緩沖層，然后在AIN緩沖層上生長GaN，最后用真空淀積的方法淀積金屬制作歐姆接觸。此外，還可以在6H-SiC襯底上生長GaN獲得較高響應(yīng)度的光電導(dǎo)型探測器。圖3-24 GaN基肖特基結(jié)構(gòu)紫外光電探測器GaN光電導(dǎo)型探測器的最大缺點是光電導(dǎo)的持續(xù)

16、性，即光生載流子不會隨入射光的消失而立刻消失，此效應(yīng)增加了光響應(yīng)時間降低了探測器工作速率。相比之下，GaN基肖特基結(jié)構(gòu)紫外光電探測器有較好的響應(yīng)度和更快的響應(yīng)速度。第一支GaN基肖特基紫外光電探測器于1993年被提出27，它具有如圖3-24（a）所示的結(jié)構(gòu)：它也是在藍(lán)寶石襯底上外延生長GaN，通過摻雜Mg實現(xiàn)P型摻雜，最后再淀積電極形成肖特基勢壘和歐姆接觸，圖中Ti/Au為肖特基接觸，Cr/Au為歐姆接觸。零偏壓下光響應(yīng)是0.13A/W，響應(yīng)時間大約為1uS，光譜響應(yīng)也為200365 nm。Chen等人28則改用n-GaN制作了如圖3-24（b）所示的結(jié)構(gòu)，首先在藍(lán)寶石稱底上生長AIN緩沖層，

17、接著生長載流子濃度為3×1018cm-3的n+-GaN，然后生長載流子濃度為3×1016cm-3的n-GaN，最后電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸和肖特基結(jié)。此光電探測器在5 V反向偏壓下響應(yīng)度為18A/W，響應(yīng)的量子效率超過65%，在負(fù)載電阻為50時光響應(yīng)時間為118 ns。3.4基于硅基雙極工藝的光電探測器目前，長距離通信用的光接收器探測器都是用III-V族化合物材料制作的，其傳輸速率已經(jīng)超過了40 Gb/s，然而，Ill-V族材料的光接收器和OEIC價格昂貴，對于短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，例如局域網(wǎng)、光纖入戶和板級光互連等并不適合。隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，對于光信息存儲、光數(shù)據(jù)傳輸

18、等應(yīng)用，需要有大量低成本的光電集成電路（OEIC）投入使用。利用普通的硅基集成電路生產(chǎn)技術(shù)，在對這些工藝幾乎不作改動或者是僅僅作微小調(diào)整的基礎(chǔ)上，將光電子器件與電信號處理電路集成在一起，無疑是最為理想的光電集成方式。目前硅基集成電路技術(shù)主要可分為雙極bipolar、CMOS及BiCMOS工藝。本節(jié)介紹利用雙極工藝實現(xiàn)的硅基光電探測器，下節(jié)介紹CMOS和BiCMOS工藝實現(xiàn)的硅基光電探測器。在介紹完標(biāo)準(zhǔn)硅基集成電路工藝實現(xiàn)的光電探測器后，我們通過改變襯底濃度或是對標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行適當(dāng)改正，以試圖提高這些光電探測器的性能。1.光電二極管（介紹pn結(jié)型；PIN型兩種）圖3-28中給出了一種基于標(biāo)準(zhǔn)雙極工

19、藝的N+-p型光電二極管36，其中的N+區(qū)是由N+埋層以及插入的N+集電極注入形成，P區(qū)則是直接利用輕摻雜的P型襯底。圖中N+區(qū)與P區(qū)的間距為5 m，N+區(qū)的面積被定義為光電探測器的面積。圖3-28 雙極工藝N+-P型光電二極管這種結(jié)構(gòu)能夠高效地進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，在外加偏壓為雙極電路工作電壓（4.2 V）時的量子效率=30%。但是由于受前面敘述的耗盡區(qū)外光生載流子緩慢擴(kuò)散的影響，其響應(yīng)速度較慢。該探測器與一跨阻抗為1.8 k的雙極型前置放大器單片集成，當(dāng)探測器面積為100×100m2，入射光波長850 nm時，可以測得開眼圖比特率達(dá)到150 Mb/s。當(dāng)N區(qū)的面積減小到10×1

20、0m2時，該光電二極管的瞬態(tài)特性將得到顯著改善，入射光波長820nm時，上升時間和下降時間分別為40 ps和400 ps。這種指標(biāo)的探測器可以實現(xiàn)850 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸能力。在不對工藝做任何修改的情況下，N埋層集電極可以被用做光電二極管的陰極，N型外延集電區(qū)可用做PIN光電二極管中的I層，而基極注入?yún)^(qū)則可以被用做陽極，如圖3-29所示。這樣就使得在標(biāo)準(zhǔn)的雙極工藝中能夠集成帶有薄本征層的光電二極管3738。圖3-29 基極集電極形成的PIN光電二極管高速雙極工藝中N型外延層厚度大約在1 m左右，這樣小的厚度會使得探測器在黃色到紅外光譜范圍（5801100 nm）內(nèi)量子效率較低。而光脈沖信號引

21、起的光生電流的上升時間和下降時間同樣會由于薄外延層的原因變得非常短，從而有利于改善響應(yīng)速度。這種光電二極管的數(shù)據(jù)傳輸能力可達(dá)到10 Gb/s，但是其在肛850 nm下的響應(yīng)度僅有R48 mA/W37。780850 nm波長范圍在最長幾千米的短程光數(shù)據(jù)傳輸中被廣泛應(yīng)用，在此波長范圍下較低的響應(yīng)度是標(biāo)準(zhǔn)雙極工藝0EIC的主要缺陷。另有一種類似結(jié)構(gòu)采用0.8 m硅雙極工藝制作的光電集成電路在入射光850 nm時，速率達(dá)到5 Gb/s，但響應(yīng)度只有R45 mA/W38?？偟膩碚f，這些單片集成的硅0EIC可以達(dá)到的工作速率已經(jīng)超過了采用族化合物光電探測器與硅基放大電路混合集成的方式，這充分顯示了光電探測

22、器單片集成的優(yōu)越性。2.光電晶體管基區(qū)集電區(qū)pn結(jié)面積被擴(kuò)大了的NPN晶體管顯然可以被用做光電晶體管，結(jié)構(gòu)如圖3-30所示40。圖3-30 一種基于SBC工藝的光電晶體管簡單地說，雙極工藝制作的光電晶體管利用基區(qū)集電區(qū)pn結(jié)作為一個光吸收的耗盡層，并且將其光生電流放大。在標(biāo)準(zhǔn)埋層集電極（SBC）雙極工藝中光電二極管的P區(qū)和NPN晶體管的P型基區(qū)是同一個P型區(qū)，而光電二極管的陰極和NPN晶體管的集電極都是由同一個N注入?yún)^(qū)構(gòu)成，基極接觸可以被省略。在基區(qū)集電區(qū)pn結(jié)空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電子空穴對被加在結(jié)上的電場分開。在空間電荷區(qū)電場的作用下，空穴向基區(qū)漂移，而電子向集電區(qū)漂移。在基區(qū)積累的空穴使得基區(qū)

23、處于高電勢，基極發(fā)射極勢壘降低，發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子，并且在電場作用下，向集電極漂移。這個過程與晶體管的電流放大機(jī)理相似。因此，光電二極管所產(chǎn)生的光生電流Ipd被NPN型晶體管放大了倍（為晶體管的電流增益）。3.紫外（UV）光探測器硅基光電二極管在紫外光譜范圍內(nèi)一般來說量子效率偏低，然而，從成本、速度及信噪比等角度考慮，迫切需要將探測器和電子電路在硅基工藝下單片集成。目前已采用雙極工藝實現(xiàn)了如圖3-31所示結(jié)構(gòu)的集成UV傳感器41。淺P+和N注入?yún)^(qū)形成的耗盡區(qū)非常接近芯片表面，注入光子在這個區(qū)域里被吸收并產(chǎn)生光生載流子。這種P+-N型UV敏感光電二極管制作在NPN晶體管的島型基區(qū)內(nèi)，該區(qū)由AIR電極接出。由基區(qū)和附加的N區(qū)形成的二極管是用來削減透射更深的綠色、紅色及紅外等成分的光對光生電流的影響。陽極電流被用做紫外光產(chǎn)生的信號電流，而長波長光產(chǎn)生的流向陰極和AIR極的光生電流并不會對整個傳感系統(tǒng)造成影響。圖3-31