第四章-光电探测和光接收组件(2)

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Ge材料也是广为使用的光电二极管材 料，由于它的带隙宽度比小，故在长 波长区域有更高的灵敏度，但暗电流 大、噪声较高。InGaAs光电二极管的 工作波长与Ge光电二极管相同，都在 1～1.7μ m波长范围内，暗电流比Ge 光电二极管低1~2个数量级。
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4.1.1 PIN光电二极管 PIN光电二极管是利用PN 结区电场收集光 生载流子的光电探测器，基本工作原理如 下：器件由P区、N区和把这两个区域隔开 的N掺杂很轻的本征（I）区组成，形成P-IN构形。当半导体PN结区处于热平衡状态 时，P区一侧出现一层负电荷，而在N区一 侧出现正电荷，构成载流子的阻挡层或耗 尽层，由此形成的势垒称之为PN结内建电 压，其电场由N 区指向P区。
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4.1.2 PN结雪崩光电二极管（APD）
除光电二极管外，雪崩光电二极管（APD） 是另一个重要的PN结型光电二极管，其原理如 下：在PN结光电二极管中，随着置于PN结上 的反向偏压的增加，耗尽层内的电场强度也增 加。当反向偏压增加到一定值时，进入耗尽层 的光生载流子被电场加速而获得足够大的动能 ，当其与晶格碰撞时使价带中的电子激发到导 带而产生新的电子－空穴对。这些电子空穴对 又被电场加速而获得足够大的动能，又可产生 新的电子－空穴对。
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从减小暗电流观点来看，尽管肖特基 不如PIN 有效，但还是可以制作出小 于10nA暗电流的肖特基光电二极管， 而且它的电容比相同面积的PIN光电 二极管小得多。
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图4-7 肖特基光电二极管
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4.3 集成光学光电探测器
目前，作为光通信应用的分立元件的 Si ， Ge 和 InGaAs PN 结 光 电 二 极 管 和 APD已相当成熟，可以批量生产并提供 商品。为适应光电子集成电路（OEIC） 的要求，人们正在探索适用于单片集成 的各种光波导探测器。如前所述，光波 导探测器一般不采用光电压方式工作， 而采用光电导和雪崩方式工作，以利于 提高频率响应和灵敏度。
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高速超带宽是长距高比特速率光纤 通信系统的核心器件，为实现这个 要求在器件结构上和组装上采用一 系列办法，例如：背照结构、多模 波导或台面波导结构、双异质结构、 双耗尽区结构、谐振腔增强型 （RCE）结构、芯片倒装技术。
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采用这些结构和工艺，可使长波PIN PD的响应速度达到50 GHz以上，几种 结构组合可望达到100GHz以上，3dB 带宽可望达到50～100GHz。
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与PN 结势垒一样，肖特基势垒可以用来 收集光生载流子。如果入射光照射到接近 金属和半导体界面的n型半导体一侧，在 耗尽层内部和附近的光生载流子在肖特基 势垒作用下做定向运动，电子流向半导体， 空穴流向金属。因此，利用肖特基结可以 制作成光电压、光电导探测器及其雪崩光 电探测器，图4-7是肖特基光电二极管的 原理图。
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（c）量子阱超晶格结构，利用 超晶格的优异性能，使其增益带 宽乘积可达100～150GHz以上， 带 宽 达 15GHz ， 倍 增 暗 电 流 达 20nA以下。 （d）在组装上采用芯片倒装焊 接技术，极大减小了电容值和电 感值，使其分布寄生参量降至最 低值。
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异质结光电二极管的一个优点是量子效 率和结离表面的距离之间没有决定性关 系，这是因为宽禁带半导体材料可作为 传输光电子的窗口，此外，异质结能形 成特定的材料组合，使得对给定波长的 光信号，量子效率和响应速度都能取得 最佳值。为了减小异质结的漏电流,两种 半导体的晶格常数必须严格匹配。
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在没有反向偏压和负载电阻时，P区和N 区两端出现一个电动势，称之为光电压。 利用光电压效应的光电二极管叫做光电 压探测器，如图4-1（a）所示。当施加 反向偏压和加上负载电阻时，光生载流 子自由地参加导电，使半导体材料的内 阻减少，因而流过器件的电流增加，在 外电路中产生光电流。利用这样的光电 导效应工作的光电二极管叫做光电导探 测器，如图4-1（b）所示。
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(a) 分离吸收和倍增（SAM）结构或 分离吸收、缓变和倍增(SAM) 结构， 其增益带宽乘积可达到70~130MHz。 (b)δ 掺杂SAGM结 构 ，这样结构的 APD不仅可获得高的增益带宽乘积， 还可获得低的暗电流和高的量子效率 。目前已获得高达100GHz 以上的增 益带宽乘积和70％左右的量子效率。
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由于受激吸收跃迁的速率与入射光 的强度成正比，所以每单位时间内 产生的光生载流子数目与入射光波 的强度成正比。于是，通过测量光 电压或光电流便可探测到光波强度 所携带的信号。
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为了产生光生载流子，入射光子的能量 必须大于探测区的禁带宽度。因此，对 一给定的探测区材料就有一个能够探测 的最低频率或最大波长，而对波长大 于 这个极限波长的光波就不能被探测到， 并且探测器的量子效率随入射光的波长 而变化，这种特性叫做光谱响应。为了 使给定探测材料能够吸收比其禁带宽还 要小的光子并由此改善光谱响应，必须 改变探测器材料的禁带宽度。
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依次类推，耗尽层内的载流子数目 剧增，发生雪崩效应，从而使反向结 电流倍增。利用光生载流子雪崩效应 工作的PN结光电二极管叫做雪崩光 电二极管。在二极管击穿电压以下， 产生的载流子总数是一定的，而在击 穿电压以上，产生的载流子数量原则 上是无限的，图4-4示出二极管电流 的倍增因子M-与反向偏压的关系曲 线。
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如上所述，可以看出，PIN光电二 极管与APD最大差别是：PIN光电 二极管不能使原信号光电流发生倍 增，而能够使原信号光电流发生倍 增，从而使接收机的灵敏度增加。 遗憾的是在雪崩倍增效应的同时， 噪声电流亦有放大，引入新的噪声 成份。
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APD的结构类型主要有拉通型和保护环型， 因拉通型结构的APD（RAPD）不仅能得到 载流子倍增，且过剩噪声较小，故广为采 用。图4-5是RAPD的雪崩光电效应过程的 原理图。图中，p+表示外延的重掺杂的P型， n＋表示重掺杂的N型，p＋π pn+构成拉通型 结构，π 区基本上是本征材料。RAPD是以 完全耗尽的方式工作的，光经由p+区进入 器件，被π 区的材料吸收，π 区材料起着 光生载流子的收集区作用。
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图4-1 PN结光二极管
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光电导探测器和光电压探测器相比，其量 子效率高，从而更加灵敏。这是因为外加 反向偏压使耗尽层变厚，因而PN结电场 范围扩大，能够收集更多的光生载流子。 所以，在实际应用光电二极管时，都要在 PN结两端施加反向偏压以加速电子和空 穴的迁移过程，减少电子和空穴的复合率， 从而提高量子效率和缩短响应时间。但是， 也不能无限制地加大反向偏压，因为还受 到表面漏电和反向击穿等因素限制。
第四章 光电探测器和光接收组件（二）
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半导体光电探测器有两种类型：光 电导型和光电二极管型。两者的差 别是，对给定的偏置点，光电导型 探测器的电阻随光通量大小的变化 而变化；而光电二极管型总是工作 在反偏状态，其微分电阻不随光通 量变化。这两类器件都有非常快的 响应速度，各有各的用途。
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对光纤通信来说，所用的光电探测器是光电 二极管型，这类探测器主要是利用半导体结 区（PN结或金属半导体结）的光电压、光 电导、电吸收和雪崩物理效应，无论哪一种 效均由射入探测区的导波光束引起电子从价 带到导带的受激跃迁，产生光生载流子（电 子和空穴），并由PN结或肖特基势垒将这 些光生载流子收集起来，最后表现为光电压 或光电流。
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改变半导体材料的能级和禁带宽度的 方法有掺杂、离子注入和施加电场等 手段。例如，在GaAs材料中掺入In可 以使InGaAs探测区的禁带宽度变小， 也可在GaAs材料上施加电场改变禁 带宽度，或者在GaAs材料中进行离 子注入，在带隙内造成一个陷阱。
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制作光电二极管的材料很多，如Si， Ge ， GaAs ， InGaAs ， GaAsP ， InGaAsP等。按其光电二极管的“结”， 可将其分类为PN结、PIN结、肖特基 势垒结、异质结和雪崩光电二极管型 等。按对光波波长的响应来分类，可 将光电二极管分成红外型、紫外型等。
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肖特基光电二极管的主要应用场合是 超高速，因此，平面型结构将是主要 采用的构形，即在半绝缘基底的 n+GaAs外延层上再生长一个n型层， 再用质子轰去的方法使寄生现象达到 最小，最后镀上金属层，分别形成肖 特基结和底电极。
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肖特基光电二极管还有一个诱人的优 点，那就是肖特基与场效应晶体管 （FET）的光电子集成，这种集成的 构形最大的优点是大大地简化了FET 和光电二极管的集成工艺，金属／半 导体结构与栅金属化在同一步工序中 就制作出来。
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下面简要介绍肖特基光电二极管的基本原理： 金属和半导体相互接触可以形成类似PN结的 结区。例如，n 型半导体和金属相互接触并 达到热平衡状态时，在其界面的半导体一侧 出现一层正电荷，而在金属一侧出现一层负 电荷，这两层极性相反的空间电荷构成载流 子的阻挡层和耗尽层，于是，金属-半导体结 区形成肖特基势垒，其电场方向由n型半导体 指向金属。在施加反向偏压时，耗尽层变厚， 肖特基势垒及其电场也增加。
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自由载流子在吸收一定能量的光子后， 其迁移率将改变，因而导致半导体电导 率的改变。吸收波长除与光敏器件芯片 材料及其掺杂杂质有关外，还同结深有 关，图4-2为Si光电二极管光电转换示意 图，图中虚线为空间电荷区界限。无光 照时，在偏压的作用下，只有热效应引 起的微小暗电流经过PN结。
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光照时，波长小于1.1μ m的入射光子 能激发发生载流子，其中0.9μ m的入 射光子能透入材料几十微米才会被吸 收，而在0.4~0.5μ m的入射光产生的 光生载流子只有扩散进入PN结势垒区， 在结电场的作用下漂移才会对光电流 有贡献，因此为了得到所要求的吸收 波长，结深必须相应地改变。
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浅结可提高光电二极管的短波响应， 另一方面选用电阻率大的Si单晶（例 如电阻率大于500Ω ）来制造光电二极 管时，可使PN结势垒区在加反向偏压 后拉长到几十微米，以提高对长波的 响应。
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当给PN结区施加足够反向偏压时，此 时本征区的载流子就完全被 耗尽，形 成耗尽区。反向偏压不仅使耗尽层变厚， 而且使结区电场强度增加。这个结区电 场阻止P区的空穴和N区的电子越过耗 尽层流向对方一侧，然而它能使P区的 电子和N区的空穴，或者耗尽层内的电 子和空穴分别到达N区和P区。
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如果半导体的PN 结受到光照，且光能量大 于或等于半导体材料的带隙能量时，光子会 释放它的能量，并把电子由价带激发到导带 而产生光生载流子，即电子和空穴。凡是能 扩散到PN结电场范围内的载流子都会参加 定向运动，空穴和电子在结电场作用下分别 流向P区和N区。于是，在 P区和N区分别出 现附加的空穴和电子，并分别积累正电荷和 负电荷。
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与发光类似，通过材料的带隙宽度可以计算 出本征吸收限，例如，Si 材料的长波本征吸收 限为1100nm，且在900nm处出现吸收峰值； Ge材料的长波本征吸收限为1530nm；InGaAsP 的带隙宽度为0.75~1.35eV，相应的本征吸收 波长范围为1.72~0.92μ m。在半导体中，光吸 收还有杂质吸收和自由载流子吸收等类型，由 于杂质能级对应的电离能比Eg小，所以这种吸 收出现在本征吸收以外的长波区，不同的杂质 有不同的吸收限，利用这种原理可改变某些材 料的长波吸收限。
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光子被吸收，释放出它的能量，从而 产生电子-空穴对，然后π 区中的电 场使这些电子-空穴对分开。光生电 子经π 区漂移至高电场的pn+结，使 载流子碰撞而倍增。 为了适应高比特 速率光纤通信的需要，APD必须具有 高的带宽增益乘积（GB）、以及低的 暗电流和低的寄生参量，在器件结构 上和组装上必须作相应改善，其措施 如下：
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SAM APD 结构简图
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4.2 肖特基光电二极管
肖特基光电二极管是利用肖特基势垒收集光 生载流子的光电探测器。所谓肖特基势垒就 是指金属和半导体相互接触而在其界面处产 生的势垒。肖特基光电二极管的特性基本上 类似于PN结光电二极管。肖特基光电二极管 的半导体材料有Si和GaAs，GaAs肖特基光电 二极管是超高速光电探测器的主要产品。肖 特基光电二极管有两种结构形式：传统的台 面结构和特殊的平面结构，后者可获得 100GHz（-3dB）带宽。