第四章-光电探测和光接收组件(2)

42
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。
43
44
图4-7 肖特基光电二极管
45
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。
39
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。
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。
19
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。
3
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。
4
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。
9
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。
10
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。
28
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：
30
（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。
31
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。
16
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。
17
18
12
13
图4-1 PN结光二极管
14
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。
32
SAM APD 结构简图
33
34
35
36
37
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。
15
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。
第四章 光电探测器和光接收组件（二）
1
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。
2
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。
20
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。
21
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。
29
(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。
38
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。
5
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。
6
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。
40
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。
41
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。
26
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。
27
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。