探测器暗电流综述报告

暗电流形成及其稳定性分析综述报告目录光电探测器基本原理.......................................................................................................................21.1PIN光探测器的工作原理.................................................................................................21.2雪崩光电二极管工作原理.................................................................................................3暗电流的形成及其影响因素...........................................................................................................42.1暗电流掺杂浓度的影响.....................................................................................................42.1.2复合电流特性..................................................................................................................52.1.3表面复合电流特性..........................................................................................................52.1.4欧姆电流特性..................................................................................................................52.1.5隧道电流特性..................................................................................................................62.2结面积和压焊区尺寸对探测器暗电流的影响.................................................................82.3腐蚀速率和表面钝化工艺对探测器暗电流的影响......................................................102.4温度特性对暗电流影响...................................................................................................11暗电流稳定性分析小结.................................................................................................................12参考文献.........................................................................................................................................13光探测器芯片处于反向偏置时，在没有光照的条件下也会有微弱的光电流，被称为暗电流，产生暗电流的机制有很多，主要包括表面漏电流、反向扩散电流、产生复合电流、隧穿电流和欧姆电流。。本文就将介绍光电探测器暗电流形成及其稳定性分析，并介绍了一些提高稳定性的方案，讨论它们的优势与存在的问题。光电探测器基本原理光电检测是将检测的物理信息用光辐射信号承载,检测光信号的变化,通过信号处理变换,得到检测信息。光学检测主要应用在高分辨率测量、非破坏性分析、高速检测、精密分析等领域,在非接触式、非破坏、高速、精密检测方面具有其他方法无比拟的。因此,光电检测技术是现代检测技术最重要的手段和方法之一,是计量检测技术的一个重要发展方向。1.1PIN光探测器的工作原理在PD的PN结间加入一层本征（或轻掺杂）半导体材料（I区），就可增大耗尽区的宽度，减小扩散作用的影响，提高响应速度。由于I区的材料近似为本征半导体，因此这种结构称为PIN光探测器。图（a）给出了PIN光探测器的结构和反向偏压时的场分布图。I区的材料具有高阻抗特性，使电压基本落在该区，从而在PIN光探测器内部存在一个高电场区，即将耗尽层扩展到了整个I区控制I区的宽度可以控制耗尽层的宽度。PIN光探测器通过加入中间层，减小了扩散分量对其响应速度的影响，但过大的耗尽区宽度将使载流子通过耗尽区的漂移时间过长，导致响应速度变慢，因此要根据实际情况折中选取I层的材料厚度。1.2雪崩光电二极管工作原理雪崩光电二极管,具有增益高固有增益可达,灵敏度高、响应速度快的特点,因而可用于检测高速调制的脉冲位置调制光信号。雪崩光电二极管是利用雪崩倍增效应而具有内增益的光电二极管,它的工作过程是在光电二极管的一结上加一相当高的反向偏压,使结区产生一个很强的电场,当光激发的载流子或热激发的栽流子进入结区后,在强电场的加速下获得很大的能量,与晶格原子碰撞而使晶格原子发生电离,产生新的电子一空穴对,新产生的电子一空穴对在向电极运动过程中又获得足够能量,再次与晶格原子碰撞,这时又产生新的电子一空穴对,这一过程不断重复,使一结内电流急剧倍增,这种现象称为雪崩倍增。雪崩光电二极管就是利用这种效应而具有光电流的放大作用。为保证载流子在整个光敏区的均匀倍增,必须采用掺杂浓度均匀并且缺陷少的衬底材料,同时在结构上采用“保护环”,其作用是增加高阻区宽度,减小表面漏电流避免边缘过早击穿,所以有保护环的APD，有时也称为保护环雪崩光电二极管。雪崩光电二极管结构示意图几种雪崩光电二极管的结构,图中（a）是P型N+结构,它是以型硅材料做基片,扩散五价元素磷而形成重掺杂十型层,并在与十区间通过扩散形成轻掺杂高阻型硅,作为保护环,,使一结区变宽,呈现高阻。图(b)是p-i-n结构,为高阻型硅,作为保护环,同样用来防止表面漏电和边缘过早击穿。图表示一种新的达通型雪崩光电二极管记作结构,二为高阻型硅,本图的右边画出了不同区域内的电场分市情况,其结构的特点是把耗尽层分高电场倍增区和低电场漂移区。图(c)中,区为高电场雪崩倍增区,而币义为低电场漂移区。器件在工作时,反向偏置电压使耗尽层从`一结一直扩散到二一边界。当光照射时,漂移区产生的光生载流子电子在电场中漂移到高电场区,发生雪崩倍增,从而得到较高的内部增益,耗尽区很宽,能吸收大多数的光子,所以量子效率也高,另外,达通型雪崩光电二极管还具有更高的响应速度和更低的噪声。暗电流的形成及其影响因素探测器暗电流由五部分部分构成:扩散电流、产生复合电流、欧姆电流、表面复合电流和隧道电流。载流子浓度对器件的暗电流影响：在反向偏置低压时探测器的暗电流主要由产生复合电流构成,偏压再增大时,带与带间隧道电流对暗电流的贡献起主要作用,且光吸收层的载流子浓度对器件的暗电流有很大的影响。结面积和压焊区尺寸对探测器暗电流影响：电极压焊区的大小及位置相关的表面漏电对探测器暗电流的影响不大,结区暗电流仍为器件暗电流的主要分量。腐蚀速率和钝化技术对暗电流影响：腐蚀台面时腐蚀速率稍大,侧向钻蚀较明显,这会影响钝化层的淀积,使部分有源区侧壁没有覆盖到钝化层,而磁控溅射制作电极时,金属与这些没有受到钝化保护的有源区形成肖特基势垒。肖特基势垒的电流输运机制很多,其中一种机制是吸收层中含有许多位错缺陷,这些位错缺陷会协助载流子通过隧穿方式穿越势垒而到达金属,其电流表达式近似为I=Isexp(βV)。温度特性对暗电流影响：零偏时,光电流在20℃以下随着温度的上升而变大,符合相关理论;但是,温度高于20℃后,光电流随温度增加的变化很小,甚至在升温时电流值略有下降。2.1暗电流掺杂浓度的影响在忽略其他因素的条件下,双异质结In0.53Ga0.47As探测器暗电流由四部分构成:扩散电流、产生复合电流、欧姆电流、表面复合电流和隧道电流。2.1.1扩散电流特性扩散电流起源于耗尽区边缘p区和n区热激发产生的少数载流子向耗尽层的扩散。这里所模拟的器件是基于我们实际研制的p+-i-n+异质结台面结构,p区为重掺杂InP层,InP材料ni较小,扩散电流与n2i成正比,所以,p区向耗尽层的扩散电流可忽略不计,在此,只考虑In0.53Ga0.47As层向耗尽层的扩散电流。表达式如下:式中:ni为本征载流子浓度,Dp为i区中空穴扩散系数,τp为i区中空穴的寿命,Nd为i区的掺杂浓度,A是耗尽层与p区和i区的接触面积,V为探测器所加偏压。2.1.2复合电流特性产生复合电流起源于势垒区热激发产生的载流子在电场作用下向势垒区两边的漂移运动,如式(2)所示:式中:q为电子电量,τeff是有效载流子寿命,W为耗尽层宽度,W=[2εj(Vb+V)/qNd]1/2,εj为i层介电常数,Vb为内建电势差,Vb=(kT/q)In(Pp0/Pn0),Pp0为p区空穴浓度,Pn0为n区空穴浓度。2.1.3表面复合电流特性表面复合电流是由于器件表面的热激发产生的载流子在电场作用下的漂移运动产生的表达式如下所示:式中:S为表面复合速度。由式(3)可以看出Is与ni成正比,ni又与exp(-Eg/2kT)成正比,Eg为材料禁带宽度。所以一般在器件结构中采用宽禁带的半导体层来制作帽层以减小表面暗电流。2.1.4欧姆电流特性欧姆电流表达式为式中,Reff为有效电阻,Ro为理想的异质结阻抗,Rs是由表面漏电流引起的并联电阻,Rd由有源区的位错引起的并联电阻2.1.5隧道电流特性隧道电流主要起源于载流子穿过禁带的隧道效应,电压较高时,隧道电流将决定探测器的暗电流。隧道电流分为带与带间隧道电流和缺陷隧道电流,分别如式(4),(5)所示:参数γ决定于隧穿载流子的始态与终态,对于带与带间隧道电流,γ=[(2meEg)1/2q3EmV/4π2η2],me是InGaAs导带电子的有效质量,对于In0.53Ga0.47As材料,me=0.034m0,m0是电子静止质量,Eg为In0.53Ga0.47As禁带宽度,Em是耗尽层电场强度,Em=2(V+Vb)/W,Θ=α(2me/m0)1/2,α决定于隧穿势垒的具体形状,C1、C2为隧穿常数,Et为缺陷隧穿势垒。其中τeff,Θ,S,C1,C2为可调参数。我们以扩散电流,产生复合电流、表面复合电流和隧道电流来模拟计算探测器(结构与实测器件结构相同)在反向偏压下的暗电流。计算中所用到的参数数值在表1中列出。模拟结果如图1所示：图1暗电流分量随反向偏压变化的模拟结果实测数据及其与模拟结果的比较如图2所示,由图2可以看出,模拟结果较好地反映了实测结果的变化趋势。说明In0.53Ga0.47As探测器在反向偏压下的暗电流特性。分析图中曲线可以发现,In0.53Ga0.47As探测器暗电流随反向偏压变化有几个明显不同的区域。综合以上分析可以看出,对In0.53Ga0.47As探测器,在反向偏置低压时探测器的暗电流主要由产生复合电流构成,偏压再增大时,带与带间隧道电流对暗电流的贡献起主要作用,且In0.53Ga0.47As光吸收层的载流子浓度对器件的暗电流有很大的影响。此外由于材料及器件参数受生长条件,工艺处理等因素的影响,计算