1 064 nm连续激光辐照硅基PIN探测器输出电流恢复时间的实验研究

梁超，魏智，金光勇，王頔，麻健雄

（长春理工大学 物理学院，长春 130022）

光电探测器是气象卫星、激光测距、激光通信上最常用的传感器，具有量子效率高和响应速度快等特点，对医疗和经济具有重大影响，适用于各种不同温度条件（从低温77 K至常温300 K左右）和各种波长范围（从微波、远红外、红外、可见光一直到紫外）的光电器件［1-4］。与其他光学器件相比，光电探测器在其激光辐照时，更容易受到损坏，当光敏面有轻微褶皱、凸起时，输出电流可以恢复，光电探测器功能性退化或暂时性失效；光敏面被熔融甚至被击穿时，其输出电流不能恢复，光电探测器光电性能永久性损伤甚至失效。因此，国内外学者对激光辐照硅基PIN光电探测器的损伤机理进行了大量的实验研究。1976年，Kruer M等人［5］利用1.06 μm脉冲激光辐照硅光电二极管实验研究，得到微观损伤光响应的退化阈值。2005年，Chen J K等人［6］研究超短脉冲激光对半导体器件的损伤进行了数值模拟，并计算载流子的密度、晶格参数等，得到单光子吸收和俄歇复合是影响电子空穴载体的两个关键因素。2009年，徐立君等人［7］对短路电流进行比较，观察实验过程中激光辐照光电探测器电流的变化。2015年，周弘毅［8］基于半导体物理基本理论，对硅基PIN光电探测器的电学性能和参数进行研究，提出光生载流子的收集的作用，通过对暗电流的理论与实验数据分析，提出光电探测器的电场分布，提高载流子的收集效率，并找到暗电流的根源。2017年，丰亚洁等人［9］对硅基PIN光电探测器的电场隔离结构进行了研究，分析得到电场隔离结构主要降低的是与周长有关的暗电流。2021年，刘红煦等人［10］对长脉冲辐照硅基QPD损伤面积和形貌进行研究。测量在不同的脉宽、不同能量密度下，硅基QPD单一象限的损伤面积、形貌随脉宽和能量密度变化的情况。结果表明：在毫秒脉冲激光作用下，硅基QPD产生表面剥落、褶皱、裂纹、熔坑等损伤效果，且主要受入射激光功率密度影响，损伤面积随激光能量密度逐渐增加，随脉宽增加逐渐降低，并得出在不同脉宽、不同能量密度下的损伤阈值。2021年，姚猛等人［11］对纳秒激光辐照硅基PIN光电探测器的瞬态响应信号进行实验研究，使用脉冲宽度为8 ns的纳秒激光辐照工作在偏置电压3.2 V下的硅基PIN光电二极管，测量了该二极管在不同能量密度辐照下的单脉冲响应特性。结果表明：随着入射激光能量密度变大，响应信号下降沿的时间逐渐变大，并出现展宽现象，二极管的瞬态响应特性发生了退化，并且器件在加载反向电压信号回复速度呈两相变化，两阶段下降沿的数据均有绝对增幅和相对增幅，比较发现第一段下降沿起着信号展宽的主导作用。上述研究工作者大多对光电探测器损伤机制给出常见的现象分析，更加清楚地了解损伤过程、损伤效果，更加明确激光辐照硅基PIN光电探测器过程中多种现象之间的关联性。但对于连续激光辐照硅基PIN光电探测器的研究较少。因此，针对1 064 nm连续激光辐照硅基PIN光电探测器电流恢复时间的实验展开研究，对不同外置偏压条件下，激光辐照硅基PIN光电探测器的输出电流的变化规律，给出相应的影响机制，对进一步提高硅基PIN光电探测器抗激光损伤能力具有十分重要的意义。

本实验所用PIN型号为GT102，该器件在反向偏置电压条件下工作。剖面结构图如图1所示。其多层结构的各层几何参数为：P+区厚度1.5 μm；I区厚度 300 μm；N+区厚度 1 μm；氮化硅厚度140 nm；Al电极厚度1 μm。整体尺寸1.5×1.5 mm²，在反向偏置条件下工作时，响应度为0.2 A/W，峰值波长在950 nm左右，光谱响应范围在400～1 100 nm，光敏面直径1 mm。其中I区为高阻抗区，电压基本都落在I区［12］。

图1 硅基PIN光电探测器剖面结构图

1 实验建立

1 064 nm连续激光辐照硅基PIN光电探测器的输出电流恢复时间实验系统由连续激光、衰减片、分光镜、功率计、聚焦透镜、电学参数测量仪和示波器组成，其中衰减片、分光镜、功率计、聚焦透镜组成激光功率测量系统。示波器和电学参数测量仪组成在线电流测量系统，监测其输出电流。本实验采用的连续激光器的型号为（Yic-500-ac），波长为 1 064 nm，输出功率范围为1～50 W，激光空间分布为高斯分布。实验中，输出激光经聚焦透镜聚焦后辐照在硅基PIN光电探测器上，激光半径为200 μm，光电探测器加载在固定偏压下，利用示波器在线监测光电探测器的光响应信号，从而定量分析连续激光辐照硅基PIN光电探测器的输出电流恢复时间的变化规律。实验装置如图2所示。

图2 1 064 nm连续激光辐照硅基PIN光电探测器输出电流恢复时间实验装置图

2 实验结果与讨论

在实验过程中，利用示波器实时监测硅基PIN光电探测器输出电流恢复时间的变化规律，硅基PIN光电探测器受连续激光辐照的输出电流随功率密度、外置偏压、作用时间如图3所示。

从图3（a）、图3（b）中可以看出，当连续激光作用时间相同，外置电压相同时，随着功率密度增加，恢复时间也增加。这是因为，功率密度的增加导致光电探测器的温度上升，且连续激光辐照硅基PIN光电探测器时，就会破坏其内部平衡态，产生一定数目的非平衡载流子，其温度越高，载流子无序化运动越快，激光辐照结束后，其势垒恢复所需要的时间越长，恢复时间随着功率密度的增加而增加。恢复成热平衡态条件所需时间越长。

图3 不同外置偏压、不同功率密度的输出电流随时间变化图

从图4（a）中可以看出，当电压为20 V，激光作用时间为4 s，功率密度为3 873.610 W/cm2时，输出电流恢复时间为34 s；功率密度为4 842.012 W/cm2时，输出电流恢复时间38 s；功率密度为5 895.862 W/cm2时，输出电流恢复时间为46 s；功率密度为6 864.265 W/cm2时，输出电流恢复时间为56 s。从图4（b）中可以看出，当电压为30 V，作用时间为4 s，功率密度为3 902.092 W/cm2时，输出电流的恢复时间为34 s；功率密度为4 842.012 W/cm2时，输出电流恢复时间为38 s；功率密度为5 838.897 W/cm2时，输出电流的恢复时间为46 s；功率密度为6 807.300 W/cm2时，输出电流的恢复时间为52 s。

图4 不同外置偏压、相同作用时间的输出电流恢复时间随功率密度变化图

从图 5（a）、图 5（b）中可以看出，当功率密度为7 319.984 W/cm2，作用时间为4 s时，外置偏压为10 V时，恢复时间为60 s；外置偏压为20 V时，恢复时间为60 s；外置偏压为30 V时，恢复时间为60 s；外置偏压为40 V时，恢复时间也为60 s。不同外置偏压下的输出电流恢复时间均为60 s，可以看出随着外置电压的增加，其恢复的时间不随偏压变化而变化，输出电流的恢复时间相同，与外置偏压无关，恢复时间不受电压的变化而变化。

图5 相同功率密度、不同外置电压的输出电流及恢复时间变化图

3 结论

本文对1 064 nm连续激光辐照硅基PIN光电探测器的输出电流恢复时间开展了实验研究，实验过程中获得了不同的功率密度、不同外置电压、不同作用时间条件下输出电流恢复时间的变化规律。得出恢复时间的变化基本不受电压的影响。外置电压一定，作用时间一定，恢复时间随着功率密度的增加而增加。结果表明：不同的外置偏压对恢复时间的变化没有影响；随着功率密度的增加，PIN光电探测器表面温度变高，产生一定数目非平衡载流子，温度越高，内部非平衡载流子无序化运动越快，当连续激光辐照结束后，其势垒重新建立时间变长，恢复成平衡态所需时间变长，即恢复时间变长。本文的研究工作可为改善硅基PIN光电探测器的抗激光加固措施提供一定的理论依据和实验参考，以延长光电探测器的使用寿命，并对提高PIN光电探测器在激光应用领域的性能具有重要意义。