四象限InGaAs APD探測器的研究

2023年12月13日發(作者：海市蜃樓意思)

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四象限InGaAs APD探測器的研究

王致遠;李發明;劉方楠

【摘 要】文章中設計的四象限InGaAs雪崩光電二極管(Avalanche Photo

Diode,APD)的管芯結構采用正入光式平面型結構,而材料結構采用吸收區、倍增區漸變分離的APD結構,在對響應時間、暗電流和響應度等參數進行計算與分析的基礎上,優化了器件結構參數.試驗結果表明,其響應時間≤1.5 ns,響應度≥9.5 A/W,暗電流≤40 nA,可靠性設計時使PN結和倍增層均在器件表面以下,可有效抑制器件表面漏電流,提高器件的可靠性.

【期刊名稱】《光通信研究》

【年(卷),期】2007(000)006

【總頁數】4頁(P43-46)

【關鍵詞】InGaAs雪崩光電二極管;吸收區倍增區漸變分離-雪崩光電二極管;光譜響應范圍;響應度;暗電流

【作 者】王致遠;李發明;劉方楠

【作者單位】重慶郵電大學,光電工程學院,重慶,400065;重慶郵電大學,光電工程學院,重慶,400065;重慶郵電大學,光電工程學院,重慶,400065

【正文語種】中 文

【中圖分類】TN3

InGaAs材料制作的探測器具有直接禁帶、室溫工作和高純度的優點，由它制作的光電探測器具有極低的暗電流和噪聲。在過去的十多年中，在光纖通信需求的推動下，InGaAs材料和器件有了很大的發展，現在已經能制備出性能非常優良的探測器。激光導引頭、激光經緯儀等光電跟蹤、定位和準直儀器中常用四象限探測器作為光電傳感器。激光制導武器的核心器件便是激光導引頭，位于導引頭最前端的象限光電探測器是捕獲目標、判斷目標位置、分析目標狀態的第一信息的關鍵部分［1］。開發In-GaAs四象限探測器已成為激光制導、激光瞄準、探索和跟蹤等裝備的迫切需求，也是民用大氣檢測、土壤水分和碳化物等監控所需象限探測器的發展趨勢［2］。

1 工作原理及器件參數設計

1.1 工作原理

四象限探測器的基本工作原理如圖1所示。器件的4 個象限同時工作在反向偏壓下，當光照射時，在每個象限耗盡區內，光激發產生的載流子分別向兩極運動，電子在運動過程中經過具有高電場的電荷層加速，在倍增層內碰撞產生大量的空穴電子對（雪崩效應），在外電路形成比光激發電流大得多的雪崩電流，實現器件的增益，同時，也將光信號轉換成了4 路電流信號，如圖1（a）所示。

光斑在探測器上移動時，外電路將產生與光斑面積相對應的光電流，外部處理電路將按下列兩式將4路信號（u1、u2、u3、和u4）轉化為兩路信號（ux、uy）：ux=［（u1+u4）-（u2+u3）］／（u1+u2+u3+u4），uy=［（u1+u2）-（u4+u3）］／（u1+u2+u3+u4）。據ux、uy 信號可判斷出光斑的移動方向，從而實現對目標準直和跟蹤等任務，如圖1（b）所示。

圖1 四象限探測器工作原理簡圖

1.2 器件參數設計

1.2.1 光譜響應范圍

四象限InGaAs雪崩光電二極管（Avalanche Photo Diode，APD）探測器由4 個獨立的單管In-GaAs APD 探測器組成，以下針對單管InGaAs APD 探測器進行分析。

InGaAs APD 探測器的光譜響應范圍主要由光吸收層材料、器件結構和制作工藝所決定。而正入光式InGaAs APD 探測器的光譜響應范圍主要由器件外延材料中具有最窄和最寬能帶帶隙的外延層決定。在T=300 K 時，長波限由窄能帶帶隙（Eg=0.73）的吸收層材料In0.53Ga0.47As決定，短波限由寬能帶帶隙（Eg=1.35）的器件倍增層和電荷層材料InP決定。其響應截止波長［3］為

式中，h為普朗克常數；γ為入射光頻率（單位：Hz）；Eg為材料能帶帶隙（單位：eV）。

由式（1）得，InGaAs APD 探測器光譜響應長波限λL=1.70μm，短波限λS=0.92μm，因此，其覆蓋的光譜范圍是0.92～1.70μm，滿足器件性能要求。

1.2.2 響應度Re

InGaAs APD 探測器響應度Re定義為在給定的光波長下，單位光功率所產生的輸出光電流，可表示為

式中，q為電子電荷（單位：eV）；η=（1-r）［1-exp（-αWa）］為量子效率；λ為入射光波波長（單位：μm）；c為光速（單位：m／s）；r 為菲涅耳反射系數；α為材料吸收系數（單位：μm-1）；Wa為吸收層耗盡寬度（單位：μm）。

對于λ=1.55 μm，取r=0.1，吸收層In0.53Ga0.47As完全耗盡Wa≈2.2～2.4μm。為滿足性能要求，須使器件具有M ≥9.6的倍增因子。

倍增因子：為了在InP 倍增區獲得顯著的雪崩倍增，要求PN 結區的最大電場EM＞4.5×105 V／cm。倍增因子

式中，keff為離化因子比；WM為倍增區寬度（單位：μm）；M 為倍增因子；αh為空穴離化率（單位：cm-1）。

1.2.3 象限暗電流ID

暗電流ID由擴散電流、隧道電流、表面電流和產生-復合電流4部分組成。

擴散電流Idif：InGaAs APD 擴散電流起源于耗盡區四周的非耗盡區P區（InP）和N 區內熱激發的少數載流子向耗盡區的擴散。對一個高P 型摻雜濃度的平面型InGaAs APD 器件，擴散電流主要來自PN 結邊緣非耗盡區域的少數載流子對P區的擴散。又因為N 區少子空穴向耗盡區擴散形成的電流比P區少子電子向耗盡區擴散形成的電流大得多（P區雜質濃度高于N 區約3個數量級），所以擴散電流表示為

式中，Dp為少子擴散系數（單位：cm2／s）；τp為少子壽命（單位：s）；Adet為結面積（單位：cm2）；ND為施主濃度（單位：cm-3）；ni 為本征載流子濃度（單位：cm-3）；ψ0 為內建電場電壓（單位：V）；VR為偏置電壓（單位：V）；kB為玻耳茲曼常數（單位：J／K）；T 為開氏溫度（單位：K）。

隧道電流ttur：當器件內部電場足夠高時，暗電流的大小由隧道過程或雪崩過程所決定。為使器件具有好的性能，要求將隧道電流對暗電流的影響降到最小。在本器件材料結構參數設計優化時，避免了隧道擊穿，因此，隧道電流很小，可忽略不記。

2 管芯結構、外延材料結構及可靠性設計

2.1 管芯結構設計

目前，InGaAs APD 芯片結構從工藝上可分為臺面型和平面型兩種。

臺面型APD 芯片結構在生長外延材料時即可形成器件的PN 結，但制作探測器時PN 結將完全暴露在外，只能選用聚酰亞氨等鈍化材料來保護被暴露的PN 結，這將使得器件的暗電流增大，尤其對大面積長周邊和高工作電壓的InGaAs APD 探測器有較大的影響，并且這種工藝實施的難度也很大，一旦PN 結被氧化，器件的暗電流就會很大而導致器件失效。

平面型結構器件的PN 結被埋入外延層內，它遠離器件表面，表面漏電流受到了抑制，并增加了器件工作的可靠性，工藝實施難度也較小。

基于上述分析，結合具體情況，四象限InGaAs APD 芯片選擇正入光式平面型結構。

芯片結構的平面圖和剖面圖分別如圖2（a）、（b）所示。

2.2 外延材料結構設計

圖2 芯片結構圖

在該設計中，四象限InGaAs APD 材料結構采用非常成熟的吸收區、倍增區、漸變分離的APD 結構（SAGM-APD）（如圖3 所示）。大量的研究結果及實驗證明，SAGM-APD 結構的探測器具有暗電流低、量子效率和增益帶寬積高、可靠性比臺面型結構高的優勢。在該結構中，PN結被設計在寬帶隙的InP 層中，減小了器件的暗電流；同時，在InP 與InGaAs 之間引入能帶漸變的In-GaAsP，減少了光生載流子在其界面的積累時間。因此，采用該結構設計的器件具有高響應速度、低暗電流、高量子效率和良好的光電增益等特點［4～5］。

圖3 InGaAs／InP SAGM APD 結構

2.3 可靠性設計

InGaAs APD 探測器是高偏置工作器件，對器件進行可靠性分析、設計是非常必要的。以下對器件的材料結構、芯片結構和制作工藝等方面作可靠性分析和設計：

（1）外延片材料的可靠性設計：高偏置工作的InGaAs APD 探測器對器件材料的晶體質量有很高的要求。材料晶體的質量直接影響器件的暗電流等敏感參數以及可靠性，其中，位錯密度和晶格失配是表征晶體質量的兩個重要參數。在材料生長時，要求將外延層之間的晶格失配率控制在-1 000×10-6～0，襯底位錯密度控制在≤500cm-2。

（2）器件結構可靠性設計：四象限InGaAs APD器件結構采用正面受光的平面結構，使PN 結和倍增層均在器件表面以下，以有效抑制器件表面漏電流，提高器件的可靠性（相對臺面器件）。

（3）在InGaAs APD 結構中，雪崩倍增區邊緣與器件表面交界沿半導體／鈍化介質膜界面有很強的電場，電場因曲率效應容易導致倍增區主結邊緣優先擊穿或低擊穿，電場會在鈍化介質膜內注入陷阱形成電流通道，使鈍化膜擊穿電壓降低或失效，導致器件出現軟擊穿或失效。因此，器件表面鈍化膜具有低的界面態密度和不形成表面反型層的適當界面態電荷。

（4）電極：通過選用雙層材料金屬化延伸P 電極的方式，避免了鍵合應力直接加在器件的有源區而引入缺陷造成器件的失效和損壞，同時降低了歐姆接觸電阻，提高了響應時間，又滿足了壓焊要求，提高了器件的成品率。

3 研制過程

在研制過程中，我們對象限腐蝕隔離槽做了單項工藝實驗：該器件工作電壓高，耗盡區寬，做象限隔離槽設計的主要目的是為了減小象限間的串擾。隔離槽設計需要斷開器件的耗盡層，且表面要易于鈍化。經單項實驗，我們找到了合適的腐蝕液配方；隔離槽深度＞15 μm，寬度＞20 μm，斜面坡度＜40°；表面用氮化硅鈍化，且鈍化效果好。根據工藝流程和光刻版圖（如圖4所示），在工藝線上做了流片。

圖4 光刻版圖

在研制過程中，我們發現了以下問題：

（1）象限隔離槽展寬了象限間距，導致器件工作盲區增大，降低了器件的性能；

（2）器件工作電壓過高（工作點（擊穿電壓）為0.9～0.95V），在系統的使用上產生了較大的負荷和功耗；

（3）器件可用增益低，導致最終響應度不高； （4）器件暗電流大，噪聲大；

（5）雪崩邊緣倍增效應抑制不夠，表現為器件邊緣響應度遠遠高于中心，象限間和象限內的響應度均勻性差，導致器件成品率低。

針對以上問題，結合實際工藝，我們進行了以下的改進：

（1）對象限隔離槽存在的必要性做了單項實驗評估：利用類似的光刻版圖將象限間距降低到75μm，制作出的器件在工作狀態下（4個象限同時加工作電壓）象限串擾低于2%。為了降低器件的工作盲區，提高器件的可靠性，決定在工藝流程中取消象限隔離槽的制作步驟。

（2）通過對器件所用外延材料的理論分析和計算，在保證器件具有一定的響應度和倍增的情況下，對器件外延材料的吸收層、電荷層和雪崩層的參數作了優化：降低了雪崩層的雜質濃度，減少了電荷層的厚度，略微調寬了吸收層（InGaAs）的厚度。實驗證明，材料參數的調整對降低器件擊穿電壓是行之有效的。

（3）加強了對器件表面鈍化膜的研究。在降低器件暗電流的同時，增強器件表面抗腐蝕能力，提高了器件的可靠性。

（4）通過對國外大量相關資料和工藝上的單項實驗數據進行分析，我們發現：階梯PN 結對抑制雪崩邊緣擊穿效應在理論上是有效的，也是目前國外運用最多的手段之一，但是階梯PN 結對其形成的擴散工藝要求非常高，兩次擴散形成的PN 結結深差要求控制在0.2～0.3μm，對現行工藝線來說，做到這樣的精確控制是非常困難的。因此，在大量實驗后，我們對器件工藝重新做了優化：用保護環的擴散方式替代階梯PN 結來抑制雪崩邊緣擊穿效應。在制作保護環APD 的工藝中，采用兩次擴散工藝來形成PN 時，通過兩次介質膜工藝、兩次光刻工藝定義不同尺寸的擴散窗口，能在一次保護環和中心結邊緣形成漸變結，在二次中心結平面區域形成突變PN 結。

保護環對雪崩邊緣倍增效應的抑制效果是有效的、合理的，且該擴散方法具有較好的重復性，工藝周期短，擴散對材料表面影響小，利于后續介質膜和光刻工藝的進行。表1給出了采用該技術前后的實驗數據對比情況。

表1 采用保護環技術前后參數對比

經改進后，響應波長達到1.0～1.6μm；響應度Re≥9.5μA／μW＠M=10；擊穿電壓VBR：40～50V；最大可用增益M ＜20；暗電流ID≤90nA＠M=10；響應時間tr≤2.1ns。

4 結束語

本文對四象限InGaAs APD 探測器的結構設計、材料選擇、可靠性設計及研制過程進行了討論。近幾年來，隨著超高速光通信、信號處理、測量和傳感等技術的發展，需要有超高速高靈敏度的半導體光電探測器［6］。為此人們提出了諧振腔增強型光電探測器（RCE-PD）和波導型光電探測器（WGPD）等新穎的結構，此外，超晶格雪崩二極管（SL-APD）、金屬-半導體-金屬光電探測器（MSM）、單渡越載流子光電探測器（UTC-PD）的研究也都取得了很好的結果。國外很多研究機構已經研制出了成熟的InGaAs陣列探測器，它們被廣泛應用于軍事、空間遙感和民用等領域，但這類器件對外延材料和制作工藝有較高要求，國內的研究還比較薄弱。

參考文獻：

【相關文獻】

［1］譚千里.四象限探測器組件在激光制導技術中的應用［J］.半導體光電，2005，26（2）：155-157.

［2］莫才平，高新江，王兵.InGaAs四象限探測器［J］.半導體光電，2004，25（1）：19-21.

［3］施敏.半導體器件物理與工藝［M］.北京：科學出版社，1992.

［4］Piotrowski J，Kaniewski sation of InGaAs infrared photovoltaic detectors［J］.IEEE proc optoelectron，1999，146（4）：173-176.

［5］Rogalski structure infrared photovoltaic detectors［J］.Infrared Physics&Technology，2000，41：213-238.

［6］黃章勇.光纖通信用光電子器件和組件［M］.北京：北京郵電大學出版社，2007.

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