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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 2
1.1 PIN光探测器的工作原理 2
1.2雪崩光电二极管工作原理 3
暗电流的形成及其影响因素 4
2.1暗电流掺杂浓度的影响 4
2.1.2复合电流特性 5
2.1.3表面复合电流特性 5
2.1.4欧姆电流特性 5
2.1.5隧道电流特性 6
2.2结面积和压焊区尺寸对探测器暗电流的影响 8
2.3腐蚀速率和表面钝化工艺对探测器暗电流的影响 10
2.4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。
1.1 PIN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 =Is exp(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=[(2 meEg)1/2 q3 EmV/4π2η2],me是InGaAs导带电子的有效质量,对于In0.53Ga0.47As材料,me= 0.034 m0,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(2 me/ 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,计算结果与实测结果仍存在着一定偏差。
2.2结面积和压焊区尺寸对探测器暗电流的影响
为分析探测器的结面积对In0.53Ga0.47As PIN·343·探测器反向偏压下的暗电流的影响,我们制作了3种不同结面积(直径分别为50μm,100μm,150μm)的In0.53Ga0.47As PIN台面探测器,i层掺杂浓度为5× 1016 cm- 3,并分别测量了三者在室温(293 K)反向偏置下的I-V特性,如图3所示。由图可看出,
结面积越大,探测器反向偏压下的暗电流越大,这与预期相符。在反向偏压为5 V时,结面直径为50μm的器件暗电流为4.02× 10- 9 A,结面直径为100μm的器件暗电流为1.1× 10- 8 A,结面直径为150μm的器件暗电流为3.25× 10- 8 A。在反向偏压为20 V时,结面直径为50μm的器件暗电流为8.5×10- 7 A,结面直径为100μm的器件暗电流为2.54×10- 7 A,结面直径为150μm的器件暗电流为7.13× 10- 7 A。三者存在着一定的比例关系,在反向偏压为5 V时三者比例为1∶2.7∶8.1,在反向偏压为20 V时,三者的比例为1∶2.9∶8.39,与其结面积之比1∶4∶9有较好的相关性,这说明对我们的器件结区的暗电流在总暗电流中仍起主要作用,但表面和压焊电极的漏电也有一定影响。

本节从理论和实验上分析了In0.53Ga0.47As/InP探测器在不同掺杂浓度及反向偏压下的暗电流特性,结果表明在低偏压处产生复合电流起主要作用,偏压增大时,隧道电流对探测器暗电流的贡献起主要作用,且In0.53Ga0.47As层的载流子浓度对探测器反向偏压下暗电流有很大的影响,当载流子浓度由5×1016 cm- 3减小到5× 1015 cm- 3时,10 V偏压下的暗电流约减小3倍。此外,本文通过对器件结面积和压焊电极尺寸对In0.53Ga0.47As探测器反向偏压下暗电流影响的探讨表明,与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。
2.3腐蚀速率和表面钝化工艺对探测器暗电流的影响
样品A 、B 和C 的有效电阻Reff 分别为0 .14 、0 .32和0 .36 MΩ, 依次递增, 这大体上能够反映材料内部的性能。与上述结论类似, 数字递变超晶格DGS L1 能够减少吸收层中的位错, InP 缓冲层能减小衬底缺陷对吸收层的影响, 从而使整个样品的体电阻逐渐变大。另外从有效电阻数值上还可以判断并联电阻R s 和Rd 对总电阻的贡献较大, 而这又增加了器件的欧姆电流, 导致暗电流偏大。因此, 为了减少暗电流, 需要在材料生长和器件制作中加以改进。另外, 样品C 中还出现了一个较大的电流分量IM-S , 模拟的结果显示该电流分量表达式近似为I M-S=α×exp(βV), 其中α=0 .17 , β=3 .43 。此电流产生的可能原因是该样品在H3 PO4/ H2 O2 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 =Is exp(βV) 。为了减少这类电流, 需要进一步稳定腐蚀速率和提高钝化技术。

本节小结：PIN 探测器在室温下的暗电流特性。结果表明在零偏压附近暗电流主要为反向扩散电流, 随着电压增加, 产生复合电流、欧姆电流贡献逐渐增加。通过比较发现在InAlAs/InGaAs 异质界面处的数字递变超晶格和外延初始生长的InP 缓冲层能够有效地改善探测器的性能。此外为了进一步减小该类探测器工作在小偏压下的暗电流, 还需要优化缓冲层和界面结构以进一步提高材料生长质量以及改善芯片制作中的表面钝化工艺。
2.4温度特性对暗电流影响
图3表明: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。对于这一情况可作如下分析:

在非理想情况下,光电转换pn结的伏安特性可以描述为：

其中:Iph表示光生电流;Rs表示pn结串联体电阻(由体电阻、电极接触电阻和电极材料本身电阻构成);Rsh表示旁路电阻;I0表示pn结反向饱和电流;q表示电子电荷;K表示玻耳兹曼常数;T表示绝对温度。
为简化问题,设Rs= Rsh。外加偏压VR= 0时,式(1)变为：

图3中,IL-T曲线可用式(4)进行解释。温度上升会使半导体材料带隙变窄,可能导致Voc下降[2]。Rs主要是高阻区(低掺杂区)体串联电阻,在温度较低时,低掺杂区存在较严重的载流子冻结效应[1],使材料电导率减小,电阻率或体电阻增加。在-50～+ 20℃内,载流子冻结效应随着温度的升高迅速减轻或消除,即Rs由低温时的较大值逐渐减小,此时Rs的减小相对Voc的减小起主导作用,导致IL上升。在20～ 50℃内载流子冻结效应已基本消除,随着温度的升高Rs变化很小,Voc减小起主导作用,从而导致IL值基本不变或者略有下降。由于整机使用的工作条件在-10～+ 50℃而在室温附近这一范围内,图3光电流的变化幅度足够小(< 10%),因此符合使用要求。
暗电流稳定性分析小结
掺杂浓度、结面积、压焊区尺寸、温度、腐蚀速率和钝化技术等都会对探测器的暗电流稳定性的影响。要减小暗电流提高暗电流的稳定性,少子寿命和材料掺杂浓度应适当提高,但过高的掺杂浓度会使器件的反压过低,还会影响响应速
度和光灵敏度,因此材料电阻率的选取应折中考虑；探测器反向偏压下暗电流影响的探讨表明,与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；只在表面pn结SiO2层上覆盖聚酰亚胺环形钝化膜,在其他大面积pn结上不加聚酰亚胺钝化膜,既解决了芯片表面钝化问题,又保证了光电探测器的高光灵敏度；温度上升会使半导体材料带隙变窄,可能导致Voc下降[2]。Rs主要是高阻区(低掺杂区)体串联电阻,在温度较低时,低掺杂区存在较严重的载
流子冻结效应[1],使材料电导率减小,电阻率或体电阻增加，因此要让探测器的暗电流稳定，温度适中和恒定也是影响因素之一。
参考文献
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