光電探測(cè)器綜述(PD)分解

光電探測(cè)器綜述(PD)分解光電探測(cè)器綜述(PD)分解⑷暗電流和噪聲光電流指在入射光照射下光電探測(cè)器所產(chǎn)生的光生電流，暗電流可以定義為沒(méi)有光入射的情況下探測(cè)器存在的漏電流。其大小影響著光接收機(jī)的靈敏度大小，是探測(cè)器的主要指標(biāo)之一。暗電流主要包括以下幾種：①耗盡區(qū)中邊界的少子擴(kuò)散電流；②載流子的產(chǎn)生－復(fù)合電流，通過(guò)在加工中消除硅材料的晶格缺陷，可以有效減小載流子的產(chǎn)生－復(fù)合電流，通常對(duì)于高純度的單晶硅產(chǎn)生－復(fù)合電流可以降低到以下；③表面泄漏電流，在制造工藝結(jié)束時(shí)，對(duì)芯片表面進(jìn)行鈍化處理，可以將表面漏電流降低到量級(jí)。當(dāng)然，暗電流也受探測(cè)器工作溫度和偏置電壓的影響。探測(cè)器的暗電流與噪聲是分不開(kāi)的，通常光電探測(cè)器的噪聲主要分為暗電流噪聲、散粒噪聲和熱噪聲：a暗電流噪聲：對(duì)于一個(gè)光電探測(cè)器來(lái)講，可接收的最小光功率是由探測(cè)器的暗電流決定的，所以減小探測(cè)器的暗電流能提高光接收機(jī)的靈敏度；b散粒噪聲：當(dāng)探測(cè)器接收入射光時(shí)，散粒噪聲就產(chǎn)生于光子的產(chǎn)生-復(fù)合過(guò)程中。由于光生載流子的數(shù)量變化規(guī)律服從泊松統(tǒng)計(jì)分部，所以光生載流子的產(chǎn)生過(guò)程存在散粒噪聲；c熱噪聲：由于導(dǎo)體中電子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)體兩端電壓的波動(dòng)，因此就會(huì)產(chǎn)生熱噪聲。光電探測(cè)器的電路模型中包含的電阻為其熱噪聲的主要來(lái)源。4、噪聲等效功率NEP：?jiǎn)挝恍旁氡葧r(shí)的入射光功率。eq\o\ac(○,10)5、探測(cè)度D：eq\o\ac(○,11)6、線性度:eq\o\ac(○,12)1.5光電探測(cè)器的選擇與主要應(yīng)用1.5.1光電探測(cè)器的應(yīng)用選擇光電探測(cè)器件的應(yīng)用選擇，實(shí)際上是應(yīng)用時(shí)的一些事項(xiàng)或要點(diǎn)。在很多要求不太嚴(yán)格的應(yīng)用中，可采用任何一種光電探測(cè)器件。不過(guò)在某些情況下，選用某種器件會(huì)更合適些。例如，當(dāng)需要比較大的光敏面積時(shí)，可選用真空光電管，因其光譜響應(yīng)范圍比較寬[3]，故真空光電管普遍應(yīng)用于分光光度計(jì)中。當(dāng)被測(cè)輻射信號(hào)微弱、要求響應(yīng)速度較高時(shí)，采用光電倍增管最合適，因?yàn)槠浞糯蟊稊?shù)可達(dá)100以上，這樣高的增益可使其信號(hào)超過(guò)輸出和放大線路內(nèi)的噪聲分量[4]，使得對(duì)探測(cè)器的限制只剩下光陰極電流中的統(tǒng)計(jì)變化。因此，在天文學(xué)、光譜學(xué)、激光測(cè)距和閃爍計(jì)數(shù)等方面，光電倍增管得到廣泛應(yīng)用。目前，固體光電探測(cè)器用途非常廣。CdS光敏電阻因其成本低而在光亮面積的器件，它除用做探測(cè)器件外，還可作太陽(yáng)能變換器；硅光電二極管體積小、響應(yīng)快、可靠性高，而且在可見(jiàn)光與近紅外波段內(nèi)有較高的量子效率，困而在各種工業(yè)控制中獲得應(yīng)用。硅雪崩管由于增益高、響應(yīng)快、噪聲小，因而在激光測(cè)距與光纖通信中普遍采用[4]。<1>、光電探測(cè)器必須和輻射信號(hào)源及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上相匹配。如果測(cè)量波長(zhǎng)是紫外波段，則選用光電倍增管或?qū)ｉT(mén)的紫外光電半導(dǎo)體器件；如果信號(hào)是可見(jiàn)光，則可選用光電倍增管、光敏電阻和Si光電器件；如果是紅外信號(hào)，則選用光敏電阻，近紅外選用Si光電器件或光電倍增管。<2>、光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換特性必須和入射輻射能量相匹配。其中首先要注意器件的感光面要和照射光匹配好，因光源必須照到器件的有效位置，如光照位置發(fā)生變化，則光電靈敏度將發(fā)生變化。如光敏電阻是一個(gè)可變電阻，有光照的部分電阻就降低，必須使光線照在兩電極間的全部電阻體上，以便有效地利用全部感光面。光電二極管、光電三極管的感光面只是結(jié)附近的一個(gè)極小的面積，故一般把透鏡作為光的入射窗，要把透鏡的焦點(diǎn)與感光的靈敏點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。一股要使入射通量的變化中心處于檢測(cè)器件光電特性的線性范圍內(nèi)[5]，以確保獲得良好的線性輸出。對(duì)微弱的光信號(hào)，器件必須有合適的靈敏度，以確保一定的信噪比和輸出足夠強(qiáng)的電信號(hào)。1.5.2光電探測(cè)器的主要應(yīng)用photodetector利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種光探測(cè)器件。所謂光電導(dǎo)效應(yīng)，是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象。光電導(dǎo)探測(cè)器在軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域有廣泛用途。在可見(jiàn)光或近紅外波段主要用于射線測(cè)量和探測(cè)、工業(yè)自動(dòng)控制、光度計(jì)量等；在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感等方面。光電導(dǎo)體的另一應(yīng)用是用它做攝像管靶面。為了避免光生載流子擴(kuò)散引起圖像模糊，連續(xù)薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可采取鑲嵌靶面的方法，整個(gè)靶面由約10萬(wàn)個(gè)單獨(dú)探測(cè)器組成。1873年，英國(guó)W.史密斯發(fā)現(xiàn)硒的光電導(dǎo)效應(yīng)，但是這種效應(yīng)長(zhǎng)期處于探索研究階段，未獲實(shí)際應(yīng)用。第二次世界大戰(zhàn)以后，隨著半導(dǎo)體的發(fā)展，各種新的光電導(dǎo)材料不斷出現(xiàn)。在可見(jiàn)光波段方面，到50年代中期，性能良好的硫化鎘、硒化鎘光敏電阻和紅外波段的硫化鉛光電探測(cè)器都已投入使用。60年代初，中遠(yuǎn)紅外波段靈敏的Ge、Si摻雜光電導(dǎo)探測(cè)器研制成功，典型的例子是工作在3～5微米和8～14微米波段的Ge:Au（鍺摻金）和Ge:Hg光電導(dǎo)探測(cè)器。工作原理和特性光電導(dǎo)效應(yīng)是內(nèi)光電效應(yīng)的一種。當(dāng)照射的光子能量hv等于或大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg時(shí)，光子能夠?qū)r(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生導(dǎo)電的電子、空穴對(duì),這就是本征光電導(dǎo)效應(yīng)。這里h是普朗克常數(shù)，v是光子頻率,Eg是材料的禁帶寬度（單位為電子伏）。因此，本征光電導(dǎo)體的響應(yīng)長(zhǎng)波限λc為λc=hc/Eg=1.24/Eg(μm)式中c為光速。本征光電導(dǎo)材料的長(zhǎng)波限受禁帶寬度的限制。通常，凡禁帶寬度或雜質(zhì)離化能合適的半導(dǎo)體材料都具有光電效應(yīng)。常用的光電導(dǎo)探測(cè)器材料在射線和可見(jiàn)光波段有：Si、Ge等;在近紅外波段有：PbS、PbSe等;在長(zhǎng)于8微米波段有:Te、Si摻雜、Ge摻雜等；CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光電導(dǎo)探測(cè)器?？梢?jiàn)光波段的光電導(dǎo)探測(cè)器CdS、CdSe、CdTe的響應(yīng)波段都在可見(jiàn)光或近紅外區(qū)域，通常稱為光敏電阻。器件靈敏度用一定偏壓下每流明輻照所產(chǎn)生的光電流的大小來(lái)表示。例如一種CdS光敏電阻,當(dāng)偏壓為70伏時(shí)，暗電流為10e-6～10e-8安，光照靈敏度為3～10安/流明。CdSe光敏電阻的靈敏度一般比CdS高[6]。光敏電阻另一個(gè)重要參數(shù)是時(shí)間常數(shù)τ，它表示器件對(duì)光照反應(yīng)速度的大小。光照突然去除以后，光電流下降到最大值的1/e（約為37%）所需的時(shí)間為時(shí)間常數(shù)τ。也有按光電流下降到最大值的10%計(jì)算τ的;各種光敏電阻的時(shí)間常數(shù)差別很大。CdS的時(shí)間常數(shù)比較大（ms級(jí)）,響應(yīng)波長(zhǎng)越長(zhǎng)的光，電導(dǎo)體這種情況越顯著，其中1～3微米波段的探測(cè)器可以在室溫工作。紅外探測(cè)器有時(shí)要探測(cè)非常微弱的輻射信號(hào),例如10-14瓦；輸出的電信號(hào)也非常小,因此要有專門(mén)的前置放大器。二、光電探測(cè)器的發(fā)展歷程近年來(lái)光電探測(cè)器的研究引起人們的重視，在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下的Si光電探測(cè)器的發(fā)展更是取得了矚目的結(jié)果。經(jīng)過(guò)一年看過(guò)的相關(guān)文獻(xiàn)得出結(jié)論：2005年到2015年是CMOS發(fā)表的量較大的時(shí)期，同時(shí)在這一階段的光電探測(cè)器的發(fā)展也呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)，光電探測(cè)器的的應(yīng)用范圍也在逐步的擴(kuò)大，為我們以后的研究開(kāi)發(fā)奠定了一定的發(fā)展空間。在現(xiàn)在這個(gè)注重創(chuàng)新與節(jié)能的時(shí)代，光電探測(cè)器的有著不可替代的作用，在工業(yè)及軍事等各個(gè)領(lǐng)域都有著廣闊的發(fā)展前景。2000年到2015年間，以CMOS&PHOTODECTOR為關(guān)鍵字的文獻(xiàn)共359篇，其中發(fā)表的ConferencePublications會(huì)議文獻(xiàn)有242篇，發(fā)表在Journal&Magazines的報(bào)紙雜志上共有115篇，EarlyAccessArticles早期訪問(wèn)文章有2篇。2.1硅基光電探測(cè)器本節(jié)介紹PIN光電探測(cè)器、N阱/P襯底光電探測(cè)器、P+/N阱/P襯底雙光電探測(cè)器和空間調(diào)制探測(cè)器。其中，響應(yīng)度高響應(yīng)速度快的PIN光電探測(cè)器雖然是硅基光電探測(cè)器，但是由于其中加入了本征層，不能與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容。1、PIN光電探測(cè)器在光電探測(cè)器的P型區(qū)域和N型區(qū)域之間加入一層本征層就形成了PIN光電探測(cè)器，由于本征層的加入耗盡區(qū)的寬度大大提高，進(jìn)而提高了PIN光電探測(cè)器的性能，下面介紹的PIN光電探測(cè)器的PN結(jié)是橫向的，所以稱為橫向PIN光電探測(cè)器。橫向PIN光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示，制作橫向PIN光電探測(cè)器的Si襯底是未摻雜的，所以襯底電阻率較高。耗盡區(qū)在本征Si襯底形成，由于本征襯底是未摻雜的，所以PIN光電探測(cè)器具有比較寬的耗盡區(qū)，因而具有比較大的量子效率和較高的響應(yīng)度。然而，在橫向結(jié)構(gòu)的PIN探測(cè)器中，電場(chǎng)強(qiáng)度由表面到內(nèi)部迅速減小，也就是說(shuō)探測(cè)器的表面集中了大部分的電場(chǎng)強(qiáng)度。在低頻下，橫向PIN探測(cè)器的響應(yīng)度是比較高的，但只有在表面處生成的光生載流子才是快速載流子，可以工作在高速率下。而在襯底中產(chǎn)生的載流子因?yàn)橥ㄟ^(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)到達(dá)電極，從而很大程度上削弱了PIN光電探測(cè)器的性能。此外，由于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中的襯底材料通常為P型的，所以采用本征襯底的橫向PIN光電探測(cè)器與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝不兼容。圖2-1橫向PIN光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖2、N阱/P襯底光電探測(cè)器N阱/P襯底結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器是利用N阱與P襯底形成的PN結(jié)二極管來(lái)形成光生電流信號(hào)。在入射光照射下，該光電探測(cè)器的光生電流主要由P襯底擴(kuò)散電流、N阱擴(kuò)散電流和PN結(jié)耗盡區(qū)漂移電流所構(gòu)成。對(duì)于波長(zhǎng)為850nm的入射光，硅襯底的吸收深度約為二十微米，這導(dǎo)致P襯底擴(kuò)散電流占據(jù)了總光生電流的較大比例，由于襯底深處的載流子擴(kuò)散時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因而P襯底擴(kuò)散電流的響應(yīng)速度比較慢。對(duì)于N阱擴(kuò)散電流來(lái)說(shuō)，由于在亞微米CMOS工藝中N阱的阱深通常不到1μm，所以N阱區(qū)域產(chǎn)生的光生載流子在到達(dá)耗盡區(qū)之前擴(kuò)散距離端擴(kuò)散時(shí)間少。通常來(lái)講，N阱擴(kuò)散電流的本征帶寬可達(dá)到數(shù)百兆赫茲。但與吸收深度相比，N阱的阱深太淺，產(chǎn)生的光生載流子較少，因而響應(yīng)度比較低。N阱擴(kuò)散電流帶寬與漂移電流相比，N阱擴(kuò)散電流的本征帶寬仍相對(duì)較低。下面舉例說(shuō)明通常情況下各種電流的速度，如在0.18μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下，入射光波長(zhǎng)為850nm，低摻雜的P襯底所形成的擴(kuò)散電流的本征帶寬大約3.5MHz，在高摻雜的P襯底中形成的擴(kuò)散電流帶寬約為5MHz，比低摻雜襯底速度稍快。與襯底擴(kuò)散電流相比，寬N阱的擴(kuò)散電流的本征帶寬大約在450MHz左右，窄N阱的擴(kuò)散電流相對(duì)較快，帶寬約為900MHz，但由于N阱/P襯底光電探測(cè)器的帶寬由P襯底的擴(kuò)散電流的本征帶寬決定，所以該光電探測(cè)器整體帶寬非常低。3、叉指型P＋/N阱/P襯底雙光電探測(cè)器由上一小節(jié)的敘述，由于CMOS工藝中P襯底中產(chǎn)生的載流子通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到電極，其擴(kuò)散速度和本征帶寬都非常差，因此要想提高光電探測(cè)器的本征帶寬必須將P襯底產(chǎn)生的光生載流子消除。為了避免漂移區(qū)外襯底產(chǎn)生的擴(kuò)散光生載流子的對(duì)探測(cè)器速度的影響，并且在標(biāo)準(zhǔn)CMOS下不增加工藝的復(fù)雜度，文獻(xiàn)[7，8]提出了一種叉指型雙光電二極管（DPD），其結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-2叉指型P＋/N阱/P襯底雙光電探測(cè)器在叉指型雙光電探測(cè)器中，N阱區(qū)域的面積定義為探測(cè)器的工作面積，P+保護(hù)環(huán)包圍在N阱周圍。在N阱中，并排的長(zhǎng)條形P+擴(kuò)散區(qū)作為叉指型探測(cè)器的陽(yáng)極，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于形成盡可能多的PN結(jié)耗盡區(qū)，從而能夠收集更多的光生載流子。在叉指型雙光電二極管中，叉指P+區(qū)域和N阱構(gòu)成一個(gè)叉指二極管，稱為工作二極管；N阱區(qū)域和P襯底構(gòu)成一個(gè)二極管，叫做屏蔽二極管。在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中，不需要做任何修改就可以實(shí)現(xiàn)該光電探測(cè)器。當(dāng)雙光電探測(cè)器工作時(shí)，N阱接到接收機(jī)接收的電源電壓，P+區(qū)域和接收機(jī)的輸入端連接，而P襯底和接收機(jī)的“地”連接。由于屏蔽二極管的兩個(gè)電極與接收機(jī)的電源電壓和地連接，所以產(chǎn)生在P襯底的擴(kuò)散載流子流進(jìn)了接收機(jī)的電源，沒(méi)有對(duì)光接收機(jī)的輸入光電流產(chǎn)生貢獻(xiàn)。而由P+和N阱構(gòu)成的二極管的本身響應(yīng)速度比較高，它產(chǎn)生的光電流輸入光接收機(jī)，形成光響應(yīng)。由于P+區(qū)域使用叉指形狀，能夠增加耗盡區(qū)的面積，提高工作二極管的響應(yīng)度[8]。4、空間調(diào)制光電探測(cè)器由于CMOS工藝襯底深處的慢載流子的影響，光電探測(cè)器的響應(yīng)速度不能提高，為了提高光電探測(cè)器的響應(yīng)速度，必須抑制或去除襯底深處的慢載流子。在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下，空間調(diào)制光電探測(cè)器便使用了這種原理從而提高了探測(cè)器的工作速度?？臻g調(diào)制光電探測(cè)器由一個(gè)受光光電探測(cè)器和一個(gè)非受光光電探測(cè)器組成，由于襯底產(chǎn)生的低速載流子被探測(cè)器通過(guò)光電流之差消除，所以空間調(diào)制探測(cè)器的工作速度得到了明顯的提高[9，10]。其結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，空間調(diào)制光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)能夠兼容與商用CMOS工藝。圖2-3空間調(diào)制探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖空間調(diào)制光電探測(cè)器包括一個(gè)收集快載流子和慢載流子的受光探測(cè)器（immediatedetector）和一個(gè)只收集慢載流子的非受光探測(cè)器（deferreddetector）。非受光探測(cè)器通過(guò)覆蓋金屬2（選擇金屬2一直到金屬5更佳）使入射光屏蔽。當(dāng)入射光照射到探測(cè)器時(shí)，被金屬覆蓋的探測(cè)器不能接受光照，只產(chǎn)生擴(kuò)散光生載流子，即慢載流子。受光探測(cè)器吸收光照，同時(shí)產(chǎn)生快光生載流子和慢光生載流子，即載流子的分布被空間調(diào)制探測(cè)器表面的金屬調(diào)制了。如果我們將受光探測(cè)器產(chǎn)生的光電流和非受光探測(cè)器產(chǎn)生的光電流相減，那么就能消除擴(kuò)散成分所導(dǎo)致的影響，去除因擴(kuò)散成分產(chǎn)生的光電流的托尾而提高了整體的響應(yīng)速度。但這樣相減的前提是載流子的調(diào)制實(shí)際要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于載流子的消失時(shí)間，也就是說(shuō)只有在光照入射的很短的一段時(shí)間內(nèi)載流子分布才是被調(diào)制的，其他的時(shí)間載流子在這兩個(gè)區(qū)域是分布均勻的。分析表明，襯底摻雜濃度越小，叉指周期長(zhǎng)度越小，空間調(diào)制光電探測(cè)器的帶寬越寬?？臻g調(diào)制光電探測(cè)器具有兩個(gè)缺點(diǎn)：一、通過(guò)差分相減的方式消除了來(lái)自襯底的慢載流子，雖然提高了探測(cè)器的速度，但對(duì)于N阱/P襯底光電二極管來(lái)說(shuō)，也損失了非常大的響應(yīng)度；二、在空間調(diào)制光電探測(cè)器中，非受光探測(cè)器和受光探測(cè)器的面積相等，所以只有一半探測(cè)器的面積用來(lái)產(chǎn)生快載流子，幾乎損失了一半的響應(yīng)度[11]。2.2常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)CMOS光電探測(cè)器常見(jiàn)的光電探測(cè)器均是基于PN結(jié)來(lái)構(gòu)造的，其原理是利用N型半導(dǎo)體區(qū)域和P型半導(dǎo)體區(qū)域形成的PN結(jié)耗盡區(qū)（即光電二極管）來(lái)進(jìn)行光信號(hào)探測(cè)。N+/PWELL光電探測(cè)器常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)CMOS光電探測(cè)器如圖2-4所示的N+/PWELL光電探測(cè)器，其原理是減小P-SUB區(qū)慢擴(kuò)散光生載流子的影響，利用N＋和PWELL形成的PN結(jié)耗盡區(qū)來(lái)形成具有較高本征帶寬的光生電流信號(hào)，但由于是制作在P-SUB上，而PWELL與P-SUB都是P型半導(dǎo)體區(qū)域，這將導(dǎo)致N＋/PWELL光電探測(cè)器不能實(shí)現(xiàn)與P-SUB有效隔離，即P-SUB區(qū)的慢光生載流子仍能以一定的幾率擴(kuò)散至N＋與PWELL形成的PN結(jié)耗盡區(qū)并形成光生電流，因而本征帶寬不是很高。圖2-4N+/PWELL光電探測(cè)器2、P＋/NWELL/P-SUBCMOS雙光電探測(cè)器N+/PWELL光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)改進(jìn)為如圖2-5所示的P＋/NWELL/P-SUB雙光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)中構(gòu)造出兩個(gè)二極管，其中的工作二極管由P＋和NWELL形成，屏蔽二極管則由NWELL和P-SUB形成。當(dāng)該雙光電探測(cè)器處于工作狀態(tài)時(shí)，P＋區(qū)的引出電極為輸出端，NWELL的引出電極連接電源（VDD），P-SUB的引出電極則連接至地（GND）。此時(shí)兩個(gè)二極管均處于反偏狀態(tài)。由于電源和地均等效為交流地，故在交流狀態(tài)下NWELL/P-SUB屏蔽二極管完全被短路至交流地。由于P-SUB區(qū)光生載流子完全被屏蔽二極管所吸收，不能擴(kuò)散到工作二極管區(qū)域，因而P-SUB區(qū)光生載流子形成的擴(kuò)散電流完全被短路至交流地，從而徹底消除了P-SUB區(qū)慢擴(kuò)散載流子對(duì)光電探測(cè)器響應(yīng)速度的限制。此外，該雙光電探測(cè)器還利用插指型P+區(qū)使工作二極管的PN結(jié)耗盡區(qū)最大化，從而可迅速地收集工作二極管區(qū)域內(nèi)的光生載流子，使光電探測(cè)器的響應(yīng)度和本征帶寬得到了進(jìn)一步提高。圖2-5P＋/NWELL/P-SUBCMOS雙光電探測(cè)器3、差分光電探測(cè)器基于P+/NWELL型PN結(jié)的全差分光電探測(cè)器，其結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)2-6。該全差分光電探測(cè)器由兩個(gè)形狀和尺寸完全相同且對(duì)稱的方形P+/NWELL/P-SUB雙光電二極管組成，且每個(gè)雙光電二極管的受光區(qū)域面積為總受光區(qū)域面積的一半。由P＋/NWELL/P-SUBCMOS雙光電探測(cè)器的工作原理可得該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是避免慢光生載流子大大降低光電探測(cè)器的本征帶寬和光信號(hào)探測(cè)速度。提高了響應(yīng)度。但不足之處是設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，不能達(dá)到較好的全差分特性。圖2-6基于P+/NWELL型PN結(jié)的全差分光電探測(cè)器2.3諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器（1）、PINRCE光電探測(cè)器該類型的探測(cè)器能夠成為高速光電探測(cè)的首要選擇的器件[12]，主要基于其噪聲小、暗電流特性好。工作波長(zhǎng)在1.55μm左右，由Dentai等人報(bào)道了的InGaAs/InGaAs/InP結(jié)構(gòu)的RCEPIN光電探測(cè)器[13]。器件如圖2-7所示，入射光垂直進(jìn)入器件，上下反射鏡都是由Brag反射鏡構(gòu)成，合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)反射鏡的堆棧結(jié)構(gòu)，調(diào)整頂部反射鏡、底部反射鏡的反射率，以及諧振腔腔體的尺寸厚度，使得器件的量子效率達(dá)到最大值。、Rt表示頂部反射鏡的反射率，Rb表示底部反射鏡的反射率，當(dāng)Rt=0.7，Rb=0.95，吸收層的厚度為200nm時(shí)，器件的最大量子效率為82%。圖2-7諧振腔增強(qiáng)型PIN光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)圖（2）、RCE肖特基(Schottky)光電探測(cè)器RCESchottky光電探測(cè)器是首批被報(bào)道的RCE器件之一[14]。光從頂層入射時(shí)金屬層的透光較差，所以頂層應(yīng)換成半透明層Schottky接觸。近年來(lái)諧振腔增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器是光電子器件的主要新種類，它很好的解決了普通光電二極管量子效率和帶寬間相互約束的關(guān)系，所以RCE光電探測(cè)器對(duì)肖特基型光電檢測(cè)器具有很大的影響力。現(xiàn)已報(bào)道光電二極管的3dB響應(yīng)帶寬可做到l00GHz[37]，其采用的諧振腔結(jié)構(gòu)。采用分子束外延法MBE（molecularbeamepitaxy）來(lái)生長(zhǎng)反射鏡結(jié)構(gòu)，頂層反射鏡為Au接觸層，在Au接觸層上再淀積一層Si3N4增透膜來(lái)增加透光，底層反射鏡是由AlAs-GaAs材料組成DBR反射鏡結(jié)構(gòu)。并通過(guò)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)InGaAs吸收層在諧振腔腔體中的位置，使得光生載流子的輸運(yùn)時(shí)間最短，從而提高探測(cè)器的響應(yīng)速率。（3）、金屬/半導(dǎo)體/金屬(MSM)結(jié)構(gòu)的RCE光探測(cè)器MSM結(jié)構(gòu)基于其平面配置結(jié)構(gòu)電極，本身電容較小，極易獲得高的響應(yīng)帶寬（20~50GHz）[15,16]，諧振微腔的引入，進(jìn)一步縮小了器件的響應(yīng)光譜寬（<1nm）。雖然響應(yīng)帶寬較高，但量子效率仍然不高。若入射光光照是mw級(jí)的照射，其生成的響應(yīng)電流僅有nA級(jí)別。（4）、RCE雪崩光電二極管(APD)RCE雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)也得到很大的關(guān)注和研究，并有相應(yīng)的成果展示[18,19]。電子在躍遷的過(guò)程中得到足夠多的能量，同時(shí)在電場(chǎng)的作用力下加速，形成碰撞電離，形成的電子-空穴對(duì)在電場(chǎng)的作用下加速，進(jìn)而產(chǎn)生更多的電子-空穴對(duì)，這就是二極管的雪崩倍增效應(yīng)，使得光電二極管在低壓下即可獲得較大增益，增益區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度得到了增強(qiáng)，器件可在小功率下工作?，F(xiàn)在，已報(bào)道的實(shí)際測(cè)得的RCE光電探測(cè)器最好的性能指標(biāo)為：量子效率73%，光譜響應(yīng)半峰寬為1.7nm，接近理論上的極值，很難在保持量子效率很高的同時(shí)獲得窄的譜線寬。另外，由于駐波效應(yīng)的影響，吸收層的位置也會(huì)對(duì)量子效率造成影響[20]。當(dāng)吸收層非常薄時(shí)（<200nm），可采用改變諧振腔的腔長(zhǎng)或者材料來(lái)進(jìn)行調(diào)諧時(shí)，吸收層位置的微小移動(dòng)將會(huì)影響吸收層中的光電場(chǎng)分布在最值的之間波動(dòng)，影響器件的量子效率。（5）SOI基CMOSRCE光電探測(cè)器普通的RCE光電探測(cè)器利用VCSEL激光器提供光源，其入射光方式都是垂直入射，在襯底上依次生長(zhǎng)底層DBR層、吸收層、頂層DBR。為了結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單，有些頂層DBR直接利用空氣與半導(dǎo)體界面的反射，其反射率約為34%。圖2-8基于SOICMOS工藝的RCE光電探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)圖2-9SOI基CMOSRCE光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)SOI基CMOSRCE光探測(cè)器的DBR頂鏡反射鏡采用Si-SiO2組成，底部反射鏡由材料本身的埋氧化層厚度決定，PN結(jié)的耗盡區(qū)作為器件的吸收層，來(lái)設(shè)計(jì)850nm通信波段的RCE光探測(cè)器，器件結(jié)構(gòu)如圖2-8、2-9所示。入射光透過(guò)頂部反射鏡進(jìn)入諧振腔，在上下反射鏡構(gòu)成的諧振腔作用下光在其中來(lái)回的行進(jìn)，若腔體設(shè)計(jì)合理，可使得光波得到諧振增強(qiáng)，耗盡層中吸收的光能量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。三、光電探測(cè)器的現(xiàn)狀評(píng)述及未來(lái)預(yù)測(cè)目前，隨著光纖通信、紅外遙感和軍事應(yīng)用需求的不斷增長(zhǎng)促進(jìn)了半導(dǎo)體光電器件及其光電路的發(fā)展。圍繞著光電系統(tǒng)開(kāi)展各種關(guān)鍵技術(shù)研究，以實(shí)現(xiàn)具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的光電探測(cè)器。光電探測(cè)器作為光纖通信中解復(fù)用接受技術(shù)的關(guān)鍵器件之一，未來(lái)應(yīng)該具有一些鮮明的特點(diǎn)：信道中心波長(zhǎng)位置可以調(diào)諧、高速、單片集成，相應(yīng)的其他一些特點(diǎn)也應(yīng)該具有：信道波長(zhǎng)的分辨能力強(qiáng)、調(diào)諧時(shí)間短、溫度穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)密集，成本低等。響應(yīng)度與量子效率之間相互約束的問(wèn)題不僅在RCE光電探測(cè)器這種結(jié)構(gòu)的器件上得以解決，同時(shí)還使其具有量子效率高、響應(yīng)度高以及波長(zhǎng)選擇等特性，成就了諧振腔型光電探測(cè)器的在WDM系統(tǒng)中的解復(fù)用接受應(yīng)用的理想選擇。不過(guò)，還有部分需要改進(jìn)，如可調(diào)諧、較好的通帶性能、易于集成等。所以，還是需要進(jìn)一步的研究RCE光電探測(cè)器的性能，以期這些特性的實(shí)現(xiàn)。四、參考文獻(xiàn)[1]MaoLuhong,SimulationandDesignofaCMOS-Process-CompatibleHigh-SpeedSi-Photodetector,CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSFeb.,2002[2]DanielDurini,PhotodetectorStructuresforStandardCMOSImagingApplications,2007,12[3]SunilS.KonankiandFredR.BeyetteJr，“CharacterizationandPerformanceEvaluationofCMOSBasedPhotodetectors”,SubmittedtoIEEE，at2000[4]胡紅光一種光電探測(cè)器電路的設(shè)計(jì)2000.6[5]G.NLu,P.Pittet,G.CarrilloandA.ElMourabit,On-ChipSynchronousDetectionforCMOSPhotodetector,2002,[6]LEIXiaoquan,SimulationandMeasurementofMS/RFCMOS2CompatiblePhotodetectors,JournalofOptoelectronics·Laser,Vol.17No.12Dec.2006[7]H.Zimmermann,IntegratedHigh-Speed,High-SensitivityPhotodiodesandOptoelectronicIntegratedCircuits,SensorsandMaterials,2001,13(4):189~206[8]毛陸虹，陳弘達(dá)，吳榮漢等，與CMOS工藝兼容的硅高速光電探測(cè)器模擬與設(shè)計(jì)，半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2002，23（2）:193~197[9]Coppee,D.,Pan,W.,Vounchx,R.,etal.Thespatiallymodulatedlightdetector,OpticalFiberCommunicationConferenceandExhibit,OFC'98.,TechnicalDigest,1998:315~316[10]J.Genoe,D.Coppee,J.H.Stiens,etal.CaculationofthecurrentresponseofthespatiallymodulatedlightCMOSdetectors,IEEETrans.ElectronDevice,2001,48(9):1892~1902[11]余長(zhǎng)亮，毛陸虹，肖新東，一種新穎全差分光電集成接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)CMOS實(shí)現(xiàn)，光電子?激光，2009，20(4)：432~435[EI:214][12]劉凱,黃永清,任曉敏.考慮不同層材料折射率差時(shí)的諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器分析[J].光電子·激光,1998,9(5):360-371.[13]B.M.Onat,M.Gokka