【文章內容簡介】 50x27mm 輸出耦合 DC DC DC 表 3 FPD510 PIN 光電探測器參數 快速響應 ， 低暗電流 ， 高響應度 ， 高可靠性 。 3. 使用條件 較低的偏置可獲得寬帶性 ， PIN 型光電探測器的頻率響應主要受到載流子在耗盡區(qū)的渡越時間和 RC響應時間的限制。在器件表面面積一定的情況下 ， 增大耗盡區(qū)寬度可以增大器件的 RC頻率 ， 但同時增大了載流子的渡越時間。 4. 應用領域 光纖通信、傳感、測距 ； 可見光至近紅外領域的光探測 ； 快速光脈沖檢測 ； 各種工業(yè)控制系統(tǒng) 。 5. 發(fā)展趨勢 高速叉指式 Ge PIN 光電探測器： 工作在 m彼長 ， 用于高速和長拖曳光傳輸的光電探測器是光傳輸系統(tǒng)廣泛研究的主題。至今 ， 許多這個工作都集中在班Ⅲ Ⅴ 族化合物半導體的長波長光電探測器。 Ge 被認為是代替材料 ， 因為它有適合于 m波長的帶隙 ， 間接帶隙 ， 直接帶隙 。 Ge有達到高速性能的潛力 ， 因為它在電信波長有高的電子遷移率和高的光吸收系數。此外 ， Ge有希望應用于例如微波和毫米波光子系統(tǒng) ， 這種需要高的光電流和高的線性度的系統(tǒng)。近來 Ge在 Si襯底上外延層的沉積工藝技術使 Ge更有吸引力 ， 因為它容易與 Si集成電路技術兼容。已有報道用在 si襯底外延生長的 Ge制作金屬 半導體 金屬 (MSM)光電探測器。為了得到高的響應度 ， 使用叉指式的平面結構。平面結構的 MSM光電探測器已廣泛應用 ， 因為它比較容易制作 和 具有低的電容。然而 ， MSM探測器與 PIN 探測器比較 ， 量子效率低 ， 暗電流大。 雪崩光電二極管（ APD） 1. 工作原理 雪崩光電二極管是具有內增益的一種光伏器件。它利用光生載流子在強電場內的定向運動產生雪崩效應，以獲得光電流的增益。在雪崩過程中，光生載流子在強電場的作用下高速定向運動，具有很高動能的光生電子或空穴與晶格原子碰撞，使晶格原子電離產生二次電子－空穴對；二次電子和空穴對在電場的作用下獲得足夠的動能，又使晶格原子電離產生新的電子－空穴對，此過程像“雪崩”似地繼續(xù)下去。電離產生的載流子數遠大于光激發(fā)產 生的光生載流子數，這時雪崩光電二極管的輸出電流迅速增加。 2. 性能參數 以產品為例 ： APD 系列高靈敏度雪崩光電探測器 APD210 APD310 光學輸入 自由空間 ? 自由空間 ? 電源電壓 1215V?? 1215V?? 電流消耗 200mA 200mA 最大入射功率 10mW 10mW 操作溫度 10℃到 40℃ 10℃到 40℃ 光譜范圍 4001000nm 8501650nm 探測器直徑 頻率范圍 11600MHz 11800MHz 3dB帶寬 11000MHz 11000MHz 上升時間 500ps 500ps 最大增益 ＠ 1GHz， 800nm ＠ 1GHz， 1500nm 暗態(tài)噪聲 80dBm 80dBm NEP(計算值 ) √ Hz 2pW/√ Hz 輸出連接 BNC BNC 輸出阻抗 50? 50? 器件尺寸 50x50x45mm 50x50x45mm 輸出耦合 AC AC 表 4 APD 系列高靈敏度雪崩光電探測器 參數 APD 體積小 、 重量輕 、 工作電壓低 、 增益高、響應 速度 快、 動態(tài)范圍大、抗外部電磁干擾性好、 噪聲小 。 APD 具有一個內部的增益機制，可以快速響應，在紫外到近紅外區(qū)域 靈敏度 極高 。 3. 使用條件 暗電流與光敏面大小有關 ， 因此減小面積可以降低暗電流 ， 從而提高探測器靈敏度 。 若外界環(huán)境溫度增加 ， 則噪聲將會大幅度增加 。 理論證明 ， 當只有一種載流子引起碰撞電離時 ， 雪崩光電二極管的噪聲比較低 ， 它的增益帶寬積才比較大 。 所以要設法將雪崩管中的耗盡層分為吸收漂移區(qū)和高場倍增區(qū) ， 讓入射光盡量在漂移區(qū)中被吸收而產生初始光生電子空穴對 ， 然后只讓其中 一種類型的載流子進入高場強區(qū)域產生倍增。 在設計雪崩光敏二極管時，要保證載流子在整個光敏區(qū)的均勻倍增，這就需要選擇無缺陷的材料，必須保持更高的工藝和保證結面的平整。 4. 應用領域 安檢設備、激光測距、運動控制、分析儀器、生物醫(yī)療、光通信、軍事、航空航天。 5. 發(fā)展趨勢 SACMAPD 具有內部增益大 、 靈敏度高 、 低噪聲和高增益帶寬積等優(yōu)點，在光通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應用 。 對于傳統(tǒng)的 InP/InGaAs APD，由于增益層 InP 材料的 k值在 — ，在滿足一定靈敏度要求條件下，增益帶寬積 (GBP)通常只能達到 100 GHz 左右 。 相比之下， InAlAs / InGaAsAPD 增益層 InAlAs材料的 k值在 — 。Si/Ge APD增益層 Si的 k 值 ＜ ，說明 Si最有希望作為光通信用 APD 的增益層候選材料 。 Si基探測器一直受到重視。研究表明，與傳統(tǒng)的 InP/InGaAs APD 相比， Si/Ge APD 具有 GBP 高 (＞ 200GHz)﹑擊穿電壓低 (27 V)﹑擊穿電壓溫度系數低 (＜ V /℃ )﹑過剩噪聲因子低 、 整個生產工藝與標準 CMOS 制程完全兼容和易于與 TIA 等后續(xù)電路實現單片集成等一系列優(yōu)點，是光通信領域近年來研發(fā)的熱點 。 早在 2021年開始，西方發(fā)達國家開始將碲鎘汞 APD探測器陣列應用到激光雷達上，以下列出近 15年來，官方公布過的研究計劃。 表 5 西方發(fā)達國家碲鎘汞 APD 探測器陣列研究計劃及用途 硅光電池、三極管、二極管、 PIN、 APD 性能參數對比總結 在動態(tài)特性（即頻率響應與時間響應）方面：以光電倍增管和光電 二極管 （尤其是 PIN管與雪崩管）為最好。 在光電特性（即線性）方面：以光電倍增管、 光電二極管 和光 電池 為最好。 在靈敏度方面，以光電倍增管、雪崩光電二極管、光敏 電阻 和光電 三極管 為最好。 輸出電流大的器件有大面積光電池、 光敏電阻 、雪崩光電二極管和光電三極管。 外加 偏置電壓最低的是光電二極管、光電三極管，光電池不需外加偏置。 在暗電流方面，光電倍增管和光電二極管最小，光電池不加 偏置時無暗電流，加反向偏置后暗電流也比光電倍增管和光電二極管大。 長期工作的穩(wěn)定性 方面：以光電二極管、光電池為最好，其次是光電倍增管與光電三極管。 異質結探測器 1. 工作原理 以緩變雙異質結 GaInAs/InP PIN PD 為例： GaInAs/InP異質結構由氣體源分子束外延 (GSMBE)在 SiInP襯底上生長。 PIN 外延結構由 GaInAs腐蝕終止層及隨后 nInP， 緩變帶隙層 (GBL)， 190nm 厚無意摻雜 GaInAs 有源層 ， 另一 GBL， pInP層 ， p+GaInAs 接觸層。 GBL 由 4 周期超晶格組成。器件剖面結構如下圖所示。雙異質結構減少了擴散電流 ， 緩變帶隙超晶格減少了 GaInAs/InP PIN PD 的載流子俘獲效應 ， 復合波導設計減少了分布電容 ， 使 PD 的高性能達到最佳化。 圖 2 GaInAs/InP PIN PD 器件結構 2. 性能參數 以 異質結光伏型紅外探測器為例： 在異質結構的探測器里面，只有隧穿噪聲和產生 復合噪聲對探測度起主要作用。異質結的結構也會影響探測度的大小。例如 Np 結構的異質結的探測器的性能比 Pn 結構的探測器性能好。即 Np 異質結構中的探測度明顯高于 Pn 異質結構中的探測度，這是因為 Np 異質結構中的量子效率高，這源于 p 型 材料中的光吸收大于 n 型 材料的光吸收。因為 p型 材料中的少子 電子擴散長度大，壽命大，即復合幾率比較小，所以光吸收大，量子效率大。 Np 異質結構中 p 型材料的表面復合速度是影響紅外探測器性能的一個重要的材料參數，如果 p 型材料的表面復合速度過高，會降低 R0A，并且量子效率和探測度也會明顯下降。對 p 型材料的表面進行鈍化處理，以有效的減 小表面復合。 Np 異質結構的 光伏型紅外探測器的性能被產生 復合、隧穿噪聲所限制，并且只有在產生 復合限制的范圍內可以得到高的探測度，因此與產生 復合噪聲相關的材料參數，如載流子濃度、表面復合速度都是決定器件性能的重要參數。因為光吸收主要限制在窄帶材料中，窄帶材料參數對得到優(yōu)良的器件起決定性的作用。另外，因為 p 型材料 無限厚時，探測度達到飽和。 3. 使用條件 以 Ge/Si 異質結光電探測器為例： 降低 Ge外延層、特別是 Ge 緩沖層的位錯密度可以有效的降低器件的暗電流 。在高偏壓下，受電場影響 Ge材料的能帶發(fā)生彎曲使得位錯的電離能降低，暗電流增大，并隨著 Ge吸收層厚度的減小，影響顯著增大。采用 Ge/Si異質結制備的光電探測器對光信號的響應度增大，響應截止波長向長波長延伸。在 SACMAPD型 Ge/Si異質結探測器中，頻率特性在大增益的情況下還受到雪崩建立時間的影響。對于 SACMAPD型 Ge/Si異質結探測器，在較高的光輻射或高外加偏壓的情況下，受到雪崩倍增產生的載流子形成的空間電荷效應影響，雪崩增益下降，而器件的響應頻率帶寬增大 ， 在某一偏壓下，探測器有最大增益帶寬積。 4. 應用領域 光纖通信 5. 發(fā)展趨勢 2021年 ， MIT的 Yin等報道了 Si基 Ge波導型 PIN光電探測器 ， 其量子效率在可探測區(qū)域內均高達 90%， 在 1550 nm處的響應度為 A/W， 帶寬為 GHz。隨后 ， Vivien也報道了在 SOI襯底上制備的 Ge波導型光電探測器 ， 外 加偏壓為 6 V時帶寬高達 42 GHz。 Intel公司也報道了 Ge波導性 PIN光電探測器 ， 偏壓為 2 V時帶寬為 GHz。波導型光電探測器將光的傳播方向與光生載流子的運動方向分開 ， 不僅提高了響應度和帶寬 ， 并且容易與波導、調制解 調器等更好的集成在一起。 2021 年 ， Inter 公司的 Kang 等報道了分離吸收層、電荷層合積累層雪崩 (SACMAPD)結構的Si基 Ge光電探測器 ， 其帶寬增益積可達到 340 GHz， 顯著高于 IIIV族材料的探測器。 2021 年蘭州大學的魏瑩也分別設計了 PIN 型 Ge/Si 異質結光電探測器和 SACMAPD 型 Ge/Si異質結光