光电探测器综述(PD)

光电探测器综述
摘要：近年来，围绕着光电系统开展了各种关键技术研究，以实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的光电探测器（Photodetector）及光电
集成电路（OEIC）已成为新的重大挑战。

尤其是具有高响应速度，高
量子效率和低暗电流的高性能光电探测器，不仅是光通信技术发展的需
要，也是实现硅基光电集成的需要，具有很高的研究价值。

本文综述了
近十年来光电探测器在不同特性方向的研究进展及未来几年的发展方
向，对其的结构、相关工艺和制造的研究具有很重要的现实意义。

关键词：光电探测器，Si ,CMOS
Abstrac t: In recent years, around the photoelectric system to carry out the study of all kinds of key technologies, in order to realize high
integration, high performance, low power consumption and low
cost of photoelectric detector (Photodetector) and
optoelectronic integrated circuit (OEIC) has become a major
new challenge. Especially high response speed ，high quantum
efficiency, and low dark current high-performance
photodetector, is not only the needs for development of optical
communication technology, but also realize the needs for
silicon-based optoelectronic integrated,has the very high
research value.This paper reviews the development of different
characteristics and results of photodetector for the past decade, and
discusses the photodetector development direction in the next few
years,the study of high performance photoelectric detector, the
structure, and related technology, manufacturing, has very
important practical significance.
Key Word: photodetector, Si ,CMOS
一、光电探测器
1.1概念
光电探测器在光通信系统中实现将光转变成电的作用，这主要是基于半导体材料的光生伏特效应，所谓的光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。

（光电导效应是指在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化的象。

即当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象，光子作用于光电导材料，形成本征吸收或杂质吸收，产生附加的光生载流子，从而使半导体的电导率发生变化，产生光电导效应。

）
1.2分类
根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同，光电探测器可分为两大类[1]：一类是光子探测器；另一类是热探测器。

根据形态也可分为两大类：一是真空光电器件；另一类是固体光电器件。

固体光电器件又包括光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管等。

1.3工作原理
光电探测器的基本工作机理包括三个过程：（1）光生载流子在光照下产生；（2）载流子扩散或漂移形成电流；（3）光电流在放大电路中放大并转换为电压信号。

当探测器表面有光照射时，如果材料禁带宽度小于入射光光子的能量即Eg<hv，则价带电子可以跃迁到导带形成光电流。

当光在半导体中传输时，光波的能量随着传播会逐渐衰减，其原因是光子在半导体中产生了吸收。

半导体对光子的吸收最主要的吸收为本征吸收，本征吸收分为直接跃迁和间接跃迁。

通过测试半导体的本征吸收光谱除了可以得到半导体的禁带宽度等信息外，还可以用来分辨直接带隙半导体和间接带隙半导体。

本征吸收导致材料的吸收系数通常比较高，由于半导体的能带结构所以半导体具有连续的吸收谱。

从吸收谱可以看出，当本征吸收开始时，半导体的吸收谱有一明显的吸收边。

但是对于硅材料，由于其是间接带隙材料，与三五族材料相比跃迁几率较低，因而只有非常小的吸收系数，同时导致在相同能量的光子照射下在硅材料中的光的吸收深度更大。

直接带隙材料的吸收边比间接带隙材料陡峭很多，图1-1 画出了几种常用半导体材料（如GaAs、InP、InAs、Si、Ge、GaP 等材料）的入射光波长和光吸收系数、渗透深度的关系[2]。

图 1 -1半导体材料光吸收系数与波长的关系
1.4 光电探测器的性能指标
光电探测器的性能指标主要由量子效率、响应度、响应速度和本征带宽、光
电流，暗电流和噪声等指标组成：
1.量子效率：
%100-⨯=入射光子数空穴对个数生成的电子η ○1
)1(a s e ωαη--= ○
2 （wa 表示吸收层的厚度，αs 表示光吸收系数，入射波长 λ、材料消光系数 k 决定吸收系数 αs=4πk/λ。

）考虑实际情况，入射光在探测器表面会被反射。

同时探测器表面存在一定宽度的接触掺杂区域，其中也会产生光子的消耗，考虑以上两种因素的量子效率的表达式：
)1()1(a
s s w d f e e R ααη---⋅⋅-= ○3
其中 d 表示接触层厚度，Rf 表示光电探测器表面的反射率。

反射率与界面的折射率 nsc 和吸收层的消光系数 κ 有关，Rf 可以表示成下式：
222
2)1()1(κκ+++-=sc sc f n n R ○4
2.响应度： 定义为光电探测器产生光电流与入射光功率比，单位通常为 A/W 。

响应度与量子效率的大小有关，为量子效率的外在体现。

响应度 R ：
r p P I R =
或 r p P V R = ○5
p I 表示光电探测器产生的光电流，Pr 代表入射光功率。

则量子效率可变为下式表示：
hv P q I r p //=
η ○6
进而可得响应度的公式为： hv q R ⋅=η ○7
可知响应度与量子效率成正比，由于硅材料本身为间接带隙，所以材料的量子效率较低，硅基光电探测器的响应度也较小。

3、响应速度与本征带宽
响应速度可以用光生载流子的渡越时间表示，载流子的渡越时间外在的频率响应的表现就是探测器的带宽。

光生载流子的渡越时间在光生电流变化中表现为两部分：上升时间和下降时间。

通常取上升时间和下降时间中的较大者衡量探测器的响应速度。

决定探测器响应速度的因素主要有：
⑴、耗尽区载流子渡越时间：载流子的渡越时间是影响探测器响应速度的最重要因素，当耗尽区电场强度达到最大时， d V 表示载流子的最大漂移速度，W 表示耗尽区宽度，那么载流子的渡越时间为：d V W t = ○8
⑵耗尽区外载流子扩散时间：载流子扩散的速度较慢，同时大多数产生于耗尽区之外的载流子的寿命非常短，复合发生速度快。

所以扩散运动只对距离耗尽区围较近的载流子才能通过扩散运动达到耗尽区中，并在电场中漂移产生光电流。

Dc 表示载流子的扩散系数，d 表示扩散距离，则扩散时间如下式：
c diff
D d t 22= ○9
⑶光电二极管耗尽区电容：越大，响应速度就越慢。

为了达到最优的探测器的响应速度，需要在探测器的吸收层厚度和光电探测器的面积中折衷。

如增大探测器材料的吸收层厚度可以有效减小耗尽区平板电容，同时可增大吸收层厚度可以提高探测器的量子效率。

但是吸收层厚度的增加导致耗尽区宽度的变大，是光生载流子渡越时间变长而有可能降低探测器的响应速度。

⑷暗电流和噪声
光电流指在入射光照射下光电探测器所产生的光生电流，暗电流可以定义为没有光入射的情况下探测器存在的漏电流。

其大小影响着光接收机的灵敏度大小，是探测器的主要指标之一。

暗电流主要包括以下几种：①耗尽区中边界的少子扩散电流；②载流子的产生－复合电流，通过在加工中消除硅材料的晶格缺陷，可以有效减小载流子的产生－复合电流，通常对于高纯度的单晶硅产生－复合电流可以降低到 211/102mm A -⨯以下；③表面泄漏电流，在制造工艺结束时，
对芯片表面进行钝化处理，可以将表面漏电流降低到211/10mm A -量级。

当
然，暗电流也受探测器工作温度和偏置电压的影响。

探测器的暗电流与噪声是分不开的，通常光电探测器的噪声主要分为暗电流噪声、散粒噪声和热噪声：a 暗电流噪声：对于一个光电探测器来讲，可接收的最小光功率是由探测器的暗电流决定的，所以减小探测器的暗电流能提高光接收机的灵敏度；b 散粒噪声：当探测器接收入射光时，散粒噪声就产生于光子的产生-复合过程中。

由于光生载流子的数量变化规律服从泊松统计分部，所以光生载流子的产生过程存在散粒噪声；c 热噪声：由于导体中电子的随机运动会产生导体两端电压的波动，因此就会产生热噪声。

光电探测器的电路模型中包含的电阻为其热噪声的主要来源。

4、噪声等效功率NEP ：单位信噪比时的入射光功率。

n s V V P NEP /=
○
10 5、探测度D ： NEP D 1= ○
11 6、线性度:
12max I I -∆=δ ○
12
1.5 光电探测器的选择与主要应用
1.5.1光电探测器的应用选择
光电探测器件的应用选择，实际上是应用时的一些事项或要点。

在很多要求不太严格的应用中，可采用任何一种光电探测器件。

不过在某些情况下，选用某种器件会更合适些。

例如，当需要比较大的光敏面积时，可选用真空光电管，因其光谱响应围比较宽[3]，故真空光电管普遍应用于分光光度计中。

当被测辐射信号微弱、要求响应速度较高时，采用光电倍增管最合适，因为其放大倍数可达100以上，这样高的增益可使其信号超过输出和放大线路的噪声分量[4]，使得对探测器的限制只剩下光阴极电流中的统计变化。

因此，在天文学、光谱学、激光测距和闪烁计数等方面，光电倍增管得到广泛应用。

目前，固体光电探测器用途非常广。

CdS光敏电阻因其成本低而在光亮面积的器件，它除用做探测器件外，还可作太阳能变换器；硅光电二极管体积小、响应快、可靠性高，而且在可见光与近红外波段有较高的量子效率，困而在各种工业控制中获得应用。

硅雪崩管由于增益高、响应快、噪声小，因而在激光测距与光纤通信中普遍采用[4]。

<1>、光电探测器必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上相匹配。

如果测量波长是紫外波段，则选用光电倍增管或专门的紫外光电半导体器件；如果信号是可见光，则可选用光电倍增管、光敏电阻和Si光电器件；如果是红外信号，则选用光敏电阻，近红外选用Si光电器件或光电倍增管。

<2>、光电探测器的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。

其中首先要注意器件的感光面要和照射光匹配好，因光源必须照到器件的有效位置，如光照
位置发生变化，则光电灵敏度将发生变化。

如光敏电阻是一个可变电阻，有光照的部分电阻就降低，必须使光线照在两电极间的全部电阻体上，以便有效地利用全部感光面。

光电二极管、光电三极管的感光面只是结附近的一个极小的面积，故一般把透镜作为光的入射窗，要把透镜的焦点与感光的灵敏点对准。

一股要使入射通量的变化中心处于检测器件光电特性的线性围[5]，以确保获得良好的线性输出。

对微弱的光信号，器件必须有合适的灵敏度，以确保一定的信噪比和输出足够强的电信号。

1.5.2光电探测器的主要应用
photodetector 利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。

所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。

光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。

在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。

光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。

为了避免光生载流子扩散引起图像模糊，连续薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PbO、Sb2S3等。

其他材料可采取镶嵌靶面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成。

1873年，英国W.史密斯发现硒的光电导效应，但是这种效应长期处于探索研究阶段，未获实际应用。

第二次世界大战以后，随着半导体的发展，各种新的光电导材料不断出现。

在可见光波段方面，到50年代中期，性能良好的硫化镉、硒化镉光敏电阻和红外波段的硫化铅光电探测器都已投入使用。

60年代初，中远红外波段灵敏的Ge、Si掺杂光电导探测器研
制成功，典型的例子是工作在3～5微米和8～14微米波段的Ge:Au（锗掺金）和Ge:Hg光电导探测器。

工作原理和特性光电导效应是光电效应的一种。

当照射的光子能量hv等于或大于半导体的禁带宽度Eg时，光子能够将价带中的电子激发到导带，从而产生导电的电子、空穴对,这就是本征光电导效应。

这里h是普朗克常数，v是光子频率,Eg是材料的禁带宽度（单位为电子伏）。

因此，本征光电导体的响应长波限λc为λ
c=hc/Eg=1.24/Eg (μm) 式中c为光速。

本征光电导材料的长波限受禁带宽度的限制。

通常，凡禁带宽度或杂质离化能合适的半导体材料都具有光电效应。

常用的光电导探测器材料在射线和可见光波段有：Si、Ge等;在近红外波段有：PbS、PbSe等;在长于8微米波段有: Te、Si掺杂、Ge掺杂等；CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光电导探测器。

可见光波段的光电导探测器CdS、CdSe、CdTe 的响应波段都在可见光或近红外区域，通常称为光敏电阻。

器件灵敏度用一定偏压下每流明辐照所产生的光电流的大小来表示。

例如一种CdS光敏电阻,当偏压为70伏时，暗电流为10e-6～10e-8安，光照灵敏度为3～10安/流明。

CdSe光敏电阻的灵敏度一般比CdS高[6]。

光敏电阻另一个重要参数是时间常数τ，它表示器件对光照反应速度的大小。

光照突然去除以后，光电流下降到最大值的1/e（约为37%）所需的时间为时间常数τ。

也有按光电流下降到最大值的10%计算τ的;各种光敏电阻的时间常数差别很大。

CdS的时间常数比较大（ms级）,响应波长越
长的光，电导体这种情况越显著，其中1～3微米波段的探测器可以在室温工作。

红外探测器有时要探测非常微弱的辐射信号,例如10-14 瓦；输出的电信号也非常小,因此要有专门的前置放大器。

二、光电探测器的发展历程
近年来光电探测器的研究引起人们的重视，在标准CMOS工艺下的Si 光电探测器的发展更是取得了瞩目的结果。

经过一年看过的相关文献得出结论：2005年到2015年是CMOS发表的量较大的时期，同时在这一阶段的光电探测器的发展也呈现逐年上升趋势，光电探测器的的应用围也在逐步的扩大，为我们以后的研究开发奠定了一定的发展空间。

在现在这个注重创新与节能的时代，光电探测器的有着不可替代的作用，在工业及军事等各个领域都有着广阔的发展前景。

2000年到2015年间，以CMOS&PHOTODECTOR为关键字的文献共359篇，其中发表的Conference Publications会议文献有242篇，发表在Journal&Magazines的报纸杂志上共有115篇，Early Access Articles早期访问文章有2篇。

2.1硅基光电探测器
本节介绍PIN 光电探测器、N 阱/P 衬底光电探测器、P+/N 阱/P 衬底双光电探测器和空间调制探测器。

其中，响应度高响应速度快的PIN 光电探测器虽然是硅基光电探测器，但是由于其中加入了本征层，不能与标准CMOS 工艺兼容。

1、PIN 光电探测器
在光电探测器的P型区域和N型区域之间加入一层本征层就形成了PIN光电探测器，由于本征层的加入耗尽区的宽度大大提高，进而提高了PIN 光电探测器的性能，下面介绍的PIN 光电探测器的PN 结是横向的，所以称为横向PIN光电探测器。

横向PIN 光电探测器结构图如图2-1 所示，制作横向PIN 光电探测器的Si衬底是未掺杂的，所以衬底电阻率较高。

耗尽区在本征Si 衬底形成，由于本征衬底是未掺杂的，所以PIN 光电探测器具有比较宽的耗尽区，因而具有比较大的量子效率和较高的响应度。

然而，在横向结构的PIN 探测器中，电场强度由表面到部迅速减小，也就是说探测器的表面集中了大部分的电场强度。

在低频下，横向PIN 探测器的响应度是比较高的，但只有在表面处生成的光生载流子才是快速载流子，可以工作在高速率下。

而在衬底中产生的载流子因为通过扩散运动到达电极，从而很大程度上削弱了PIN 光电探测器的性能。

此外，由于标准CMOS 工艺中的衬底材料通常为P 型的，所以采用本征衬底的横向PIN光电探测器与标准的CMOS 工艺不兼容。

图2-1 横向PIN 光电探测器结构图
2、N 阱/P 衬底光电探测器
N 阱/P 衬底结构的光电探测器是利用N 阱与P 衬底形成的PN 结二极管来形成光生电流信号。

在入射光照射下，该光电探测器的光生电流主要由P 衬底扩散电流、N 阱扩散电流和PN 结耗尽区漂移电流所构成。

对于波长为850 nm的入射光，硅衬底的吸收深度约为二十微米，这导致P 衬底扩散电流占据了总光生电流的较大比例，由于衬底深处的载流子扩散时间过长，因而P 衬底扩散电流的响应速度比较慢。

对于N 阱扩散电流来说，由于在亚微米CMOS 工艺中N 阱的阱深通常不到1 μm，所以N 阱区域产生的光生载流子在到达耗尽区之前扩散距离端扩散时间少。

通常来讲，N 阱扩散电流的本征带宽可达到数百兆赫兹。

但与吸收深度相比，N 阱的阱深太浅，产生的光生载流子较少，因而响应度比较低。

N 阱扩散电流带宽与漂移电流相比，N 阱扩散电流的本征带宽仍相对较低。

下面举例说明通常情况下各种电流的速度，如在0.18 μm 标准CMOS 工艺下，入射光波长为850nm，低掺杂的P 衬底所形成的扩散电流的本征带宽大约3.5 MHz，在高掺杂的P 衬底中形成的扩散电流带宽约为5 MHz，比低掺杂衬底速度稍快。

与衬底扩散电流相比，宽N 阱的扩散电流的本征带宽大约在450 MHz 左右，窄N 阱的扩散电流相对较快，带宽约为900 MHz，但由于N 阱/P 衬底光电探测器的带宽由P 衬底的扩散电流的本征带宽决定，所以该光电探测器整体带宽非常低。

3、叉指型P＋/N 阱/P 衬底双光电探测器
由上一小节的叙述，由于CMOS 工艺中P 衬底中产生的载流子通过扩散运动达到电极，其扩散速度和本征带宽都非常差，因此要想提高光电探测器的本征带宽必须将P 衬底产生的光生载流子消除。

为了避免漂移区
外衬底产生的扩散光生载流子的对探测器速度的影响，并且在标准CMOS 下不增加工艺的复杂度，文献[7，8]提出了一种叉指型双光电二极管（DPD），其结构如图2-2 所示。

图2-2 叉指型P＋/N 阱/P 衬底双光电探测器在叉指型双光电探测器中，N 阱区域的面积定义为探测器的工作面积，P+保护环包围在N 阱周围。

在N 阱中，并排的长条形P+扩散区作为叉指型探测器的阳极，这种拓扑结构有利于形成尽可能多的PN 结耗尽区，从而能够收集更多的光生载流子。

在叉指型双光电二极管中，叉指P+区域和N 阱构成一个叉指二极管，称为工作二极管；N 阱区域和P 衬底构成一个二极管，叫做屏蔽二极管。

在标准CMOS 工艺中，不需要做任何修改就可以实现该光电探测器。

当双光电探测器工作时，N 阱接到接收机接收的电源电压，P+区域和接收机的输入端连接，而P 衬底和接收机的“地”连接。

由于屏蔽二极管的两个电极与接收机的电源电压和地连接，所以产生在P 衬底的扩散载流子流进了接收机的电源，没有对光接收机的输入光电流产生贡献。

而由P+和N 阱构成的二极管的本身响应速度比较高，它产生的光电流输入光接收机，形成光响应。

由于P+区域使用叉指形状，能够增加耗尽区的面积，提高工作二极管的响应度[8]。

4、空间调制光电探测器
由于CMOS 工艺衬底深处的慢载流子的影响，光电探测器的响应速度不能提高，为了提高光电探测器的响应速度，必须抑制或去除衬底深处的慢载流子。

在标准CMOS 工艺下，空间调制光电探测器便使用了这种原理从而提高了探测器的工作速度。

空间调制光电探测器由一个受光光电探测器和一个非受光光电探测器组成，由于衬底产生的低速载流子被探测器通过光电流之差消除，所以空间调制探测器的工作速度得到了明显的提高[9，10]。

其结构如图2-3 所示，空间调制光电探测器的结构能够兼容与商用CMOS 工艺。

图2-3 空间调制探测器结构图
空间调制光电探测器包括一个收集快载流子和慢载流子的受光探测器（immediate detector）和一个只收集慢载流子的非受光探测器（deferreddetector）。

非受光探测器通过覆盖金属2（选择金属2 一直到金属5 更佳）使入射光屏蔽。

当入射光照射到探测器时，被金属覆盖的
探测器不能接受光照，只产生扩散光生载流子，即慢载流子。

受光探测器吸收光照，同时产生快光生载流子和慢光生载流子，即载流子的分布被空间调制探测器表面的金属调制了。

如果我们将受光探测器产生的光电流和非受光探测器产生的光电流相减，那么就能消除扩散成分所导致的影响，去除因扩散成分产生的光电流的托尾而提高了整体的响应速度。

但这样相减的前提是载流子的调制实际要远远小于载流子的消失时间，也就是说只有在光照入射的很短的一段时间载流子分布才是被调制的，其他的时间载流子在这两个区域是分布均匀的。

分析表明，衬底掺杂浓度越小，叉指周期长度越小，空间调制光电探测器的带宽越宽。

空间调制光电探测器具有两个缺点：一、通过差分相减的方式消除了来自衬底的慢载流子，虽然提高了探测器的速度，但对于N 阱/P 衬底光电二极管来说，也损失了非常大的响应度；二、在空间调制光电探测器中，非受光探测器和受光探测器的面积相等，所以只有一半探测器的面积用来产生快载流子，几乎损失了一半的响应度[11]。

2.2常见的标准CMOS 光电探测器
常见的光电探测器均是基于PN 结来构造的，其原理是利用N型半导体区域和P 型半导体区域形成的PN 结耗尽区（即光电二极管）来进行光信号探测。

1、N+/PWELL 光电探测器
常见的标准CMOS光电探测器如图2-4所示的N+/PWELL 光电探测器，其原理是减小P-SUB 区慢扩散光生载流子的影响，利用N＋和PWELL 形成的PN 结耗尽区来形成具有较高本征带宽的光生电流信号，但由于是制作在
P-SUB 上，而PWELL 与P-SUB 都是P 型半导体区域，这将导致N＋/PWELL 光电探测器不能实现与P-SUB 有效隔离，即P-SUB 区的慢光生载流子仍能以一定的几率扩散至N＋与PWELL 形成的PN 结耗尽区并形成光生电流，因而本征带宽不是很高。

图2-4 N+/PWELL 光电探测器
2、P＋/NWELL/P-SUB CMOS双光电探测器
N+/PWELL 光电探测器结构改进为如图2-5所示的P＋/NWELL/P-SUB 双光电探测器结构。

在结构中构造出两个二极管，其中的工作二极管由P＋和NWELL 形成，屏蔽二极管则由NWELL 和P-SUB 形成。

当该双光电探测器处于工作状态时，P＋区的引出电极为输出端，NWELL 的引出电极连接电源（VDD），P-SUB 的引出电极则连接至地（GND）。

此时两个二极管均处于反偏状态。

由于电源和地均等效为交流地，故在交流状态下NWELL/P-SUB 屏蔽二极管完全被短路至交流地。

由于P-SUB 区光生载流子完全被屏蔽二极管所吸收，不能扩散到工作二极管区域，因而P-SUB区光生载流子形成的扩散电流完全被短路至交流地，从而彻底消除了P-SUB 区慢扩散载流子对光电探测器响应速度的限制。

此外，该双光电探测器还利用插指型P+区使工作二极管的PN 结。