红外接收用PIN硅光电探测器研究

2013-09-05 05:36费诵秋

电子与封装 2013年2期

张明，费诵秋

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡 214035）

1 引言

光电探测器是指对各种光辐射进行接受和探测的器件，它能将接受到的光信号转换成电信号（电流或电压）。硅光电探测器由于具有体积小、噪声低、响应速度快、光谱响应性能好等特点，近年来得到了迅速的发展，广泛应用于光电检测系统、光通信领域，特别是940 nm的光电探测器在红外遥控接收领域得到了十分广泛的应用。目前国内生产遥控接收装置的厂家所采用的探测器芯片大多为从国外或中国台湾地区采购，本文通过对探测器接收原理和应用领域的研究，从衬底材料和抗反射膜两个方面进行优化，研制了一种PIN结构的光电二极管探测器，对光电探测器的响应度进行了提升，满足了客户的需求。

2 PIN光电二极管原理

光电器件是利用光电效应的原理制成：光电效应是指对不同频率ν的光，其光子能量E=hν是不相同的，光波频率ν越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作是一连串能量为hν的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，这种物理现象称为光电效应。

当光照射到光电二极管的光敏面上时，能量大于或等于材料带隙能量Eg的光子将激励价带上的电子吸收光子的能量而跃迁到导带上，可以产生自由电子-空穴对（称为光生载流子）。电子-空穴对在反向偏置的外电场作用下立即分开并在结区中向两端流动，从而在外电路中形成电流（光电流），如图1。

图1 能带图

由于受激吸收仅仅发生在PN结附近，远离PN结的地方没有电场存在，因此就决定了PN光电二极管（PN Photodiode，PNPD）或PN光电检测器的光电变换效率非常低下并且响应速度很慢。因此通常在PN结的P型和N型层之间加入本征I层，以增加耗尽层宽度，这种光电二极管称为PIN光电二极管，其结构如图2所示。当PIN光电二极管反向偏压加大到某一定值时，整个I层变为耗尽层，P区和N区通常都是重掺掺杂区，耗尽层向其中的展宽可以忽略不计。外加反向偏压电场基本都落在耗尽区两端，在此区域内有较强的电场，大部份光子在耗尽区内被吸收，其受到电场加速时间越长，响应速度越快。

本征层I的引入增大了耗尽层的宽度，使器件的击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可选择低电阻率的基体材料，且有利于光辐照的吸收，提高了量子效率，也明显减少了结电容，电路的时间常数减少，从而减少了器件的响应时间。

PIN硅光电二极管的光谱响应范围约为300～1100 nm，图3为典型材料光电二极管光谱响应曲线图。

在半导体材料中光功率的吸收呈负指数规律：

图2 PIN光电探测器

图3 典型材料光电二极管光谱响应曲线

其中αs(λ)为波长λ处的吸收系数，P0是入射光功率，P(x)是通过距离x后所吸收的光功率。因此光照产生的光电流强度随入射光深入半导体材料的深度呈指数衰减：

如果吸收系数大，光的吸收会集中在材料的表面层内；图4给出了在不同波长下Si的吸收系数变化曲线，从图中可以看出，Si在940 nm处的吸收系数α约为2.0×104m-1，如假设半导体Si材料在能吸收95%的入射光的厚度为d，可以求解：

由上述分析计算，为使940 nm入射光的95%被吸收，半导体Si材料的厚度应为150 µm，因此为了让更多的光能被吸收，红外探测器用的半导体Si材料的厚度应大于150 µm。

3 PIN光电二极管工艺设计

3.1 硅片材料的选择

量子效率η和响应度R是光电探测器的两个重要特性。响应度与量子效率呈对应关系，它们是波长的函数：

材料不同的光电探测器具有不同的响应度，对不同的探测波段，不同材料的光电探测器具有不同的响应度，所以应该选择合适的材料来制造探测器。本文所述产品主要应用于940 nm红外波段的探测，为了获得高的量子效率和响应度，耗尽层必须足够厚，以便能吸收大部分的入射光线，而入射光的强度与光的吸收系数成反比，因此对于既定材料存在一个吸收长度（L），而L约为吸收系数αs(λ)的倒数。因为光的吸收主要发生在耗尽区，为了提高器件的量子效率和响应度，耗尽区的宽度W应该大于L，对于940 nm光波长来讲，在硅中的L≈50 µm，所以耗尽区的宽度W应该大于50 µm，而根据公式（1），假定PN结一侧浓度N≈1020/cm3，工作电压V=5 V，可以推导材料的电阻率ND约为3×1012/cm3。