第三章 第一 次课资料

1、第3章 光接收器件及集成技术3.1 光电探测器理论基础光电探测器是指将入射光能量转化为电信号的一类光电子器件。为了探测入射光，人们需要先将光信号转化为与入射光强度成比例的电信号以方便测量。例如，在光纤通信系统中，人们将需要传输的语音图像等数据信息调制成激光信号，激光信号经过光纤传输到达接收端后便由光电探测器将光信号探测出来转化为电信号。电信号再经过接收器电路放大、整形、处理之后就还原到我们需要的语音、图像等数据信息。光电探测器的诞生可追溯到1873年，英国的W.Smith发现硒（Se）具有光电导效应，即硒的电阻值随入射光强度的增大而减小。同年，Simons将铂金绕在硒棒上制成了第一个光电池。然而由于人们对光电效应本质缺乏了解致使该领域进展缓慢，直到1905年爱因斯坦（Einstein）解释了金属光电效应及普朗克（Planck）引进量子假设解决了黑体辐射问题之后，这一领域才得到飞跃发展。光照射到物体上，或使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生电动势，这些都称为光电效应。光电效应有内外之分，外光电效应发生在表面，光激发的电子离开表面(与电子亲和能、功函数相关)。内光电效应发生在内部，光激

2、发的载流子仍在材料内。体电导元件pn结光电二极管（pn结）p-i-n光电二极管（p-i-n）APD雪崩光电二极管(APD)肖特基势垒光电二极管（MSM叉指）p-n-p, n-p-n光敏三极管光电管，光电倍增管内光电效应探测器光电导型硅光电池单晶p-n结太阳能电池非晶半导体太阳能电池光伏型半导体中的光吸收主要包括本征吸收、激子吸收、晶格振动吸收、杂质吸收及自由载流子吸收1。当入射光能量大于半导体材料禁带宽度时，价带中电子便会被入射光激发，越过禁带跃迁至导带而在价带中留下空穴形成电子空穴对。这种由于电子在价带和导带的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收。大量实验证明这种价带电子跃迁的本征吸收是半导体中最重要的吸收，也是光电探测器工作的理论基础。爱因斯坦和普朗克的理论使人们认识到光不仅具有波动性也具有粒子性，即波粒二象性。光由光子组成，一束光就是的光子流。光子的引入很好地描述了紫外和红外波段的电磁辐射特性。媒质中光子的速度为 (3-1)式中，是光在真空中速度，是介质折射率。光子可以由它的频率和波长来描述： (3-2)光子的频率在真空和介质中都是一样的，而速度会随介质折射率而变化，因此光在不同介质

3、中的波长是不同的。而光子在真空中的波长是恒定的，所以我们通常用真空中波长来描述激光或者发光二极管光谱特性。光子也可以用它的能量来描述。即 (3-3)式中，h是普朗克常数，该式决定了特定禁带宽度的半导体材料所能吸收的光谱极限，例如硅的禁带宽度是1.12 eV，则由式（3-3）计算得 (3-4)也就是说硅的光谱吸收极限是1110nm，只有波长小于该极限的光才能被硅所吸收。将普朗克常数值及光在真空中速度代入式（J-J）可以得到光吸收极限简单的表达式： (3-5) 式中，Eg为半导体材料禁带宽度，若Eg的单位为eV（电子伏），则相应的波长单位为nm。如式（35）所示光电探测器的工作过程为：当入射光波长小于气即对应入射光子能量大于半导体材料禁带宽度时，光子被吸收而产生的电子空穴对在外电场作用下向正负两极运动，这样就在外电路上形成光电流，光电流流过负载电阻产生压降，从而探测出光信号。为了表征不同半导体材料对不同波长光吸收的强弱，我们引入吸收系数a： (3-6)为入射光强度，P（x）为体内x处光强度，当xd=时，定义d为光子穿透深度。（光强在半导体中呈指数衰减）。吸收系数a=a（）是波长的函数，它强

4、烈依赖于波长，当入射光波长小于时，吸收系数随波长的减小而迅速增大。 图1 不同半导体材料的光吸收系数与波长的关系曲线图1所示出了不同半导体材料的光吸收系数与波长的关系曲线图。由图可见对于GaAs和InP等直接带隙半导体材料，其吸收系数曲线具有陡峭的吸收边，在可见光区域吸收系数很大（对应的穿透深度只有400700 nm），适合作为高速、高响应度光电探测器。对于Si这样的间接带隙材料，其吸收边较平缓，吸收峰值波长为1.1 m，与式（3-4）计算的结果相吻合，适合工作在可见光和近红外波段。由于硅的吸收系数较小，在可见光波段吸收系数要比GaAs和InP小一到两个数量级，因此需要很宽的耗尽区来吸收光生载流子。虽然硅的光吸收特性不是最好，但它是极为重要、经济并且已经广泛使用的半导体材料，因此研究硅光电子器件及硅基光电集成电路是有重要意义的。对于窄带隙的Ge（0.67 eV），它具有很宽的波长吸收范围，覆盖了光通信中1.3m低色散和1.55m低损耗两个窗口波长，因此适合作为光通信探测器。人们通常往Si中掺锗形成SiGe/Si异质结以拓展Si的波长吸收范围致光通信波段。此外三元组分化合物InGaAs的

5、波长吸收范围也较宽，常用做高速长距离光通信终端探测器。我们将在以下两节详细介绍III-V族化合物和Si基光电探测器。3.2 光电探测器性能参数表征光电探测器性能参数主要有：量子效率、响应度、频率响应、噪声和探测度等。其中量子效率和响应度表征了光电探测器将入射光转换成光电流本领的大小，频率响应表征了光电探测器工作速度的快慢，噪声和探测度表征了光电探测器所能探测到最小的入射光能量。量子效率可以分为内量子效率i和外量子效率o ,它是半导体光电探测器最重要的指标。内量子效率定义为吸收一个入射光子能够产生的电子-空穴对个数，即 （3-25）由于i与材料的吸收系数，以及吸收层的厚度W相关，因而可表示为10 （3-26）式中，a（）是对应波长的吸收系数。由上式可见材料的吸收系数越大，或者吸收层越厚，光电探测器的量子效率就越高。在实际的光电探测器申，光不可能直接由材料表面达到吸收区，而是要经过一定的厚度的重掺杂接触区，在这个区域内会造成一部分光子损耗，同时在光电探测器表面的反射作用也会损失部分入射光。基于这些因素，定义外量子效率为 （3-27）式中，d为前端接触层厚度，Rf为光电探测器表面的反射率。为

6、了减小端面反射以提高外量子效率，可以在入射界面涂一层抗反射膜ARC（Antireflection Coating），抗反射膜厚度与波长和折射率有关。对于硅光电探测器，常用的抗反射膜材料为SiO2和Si3N4。通常在实际中，有必要知道对于特定波长的单位强度入射光所能产生的光电流大小。因此引入响应度，用来表征单位入射光功率与产生光电流的关系： （3-31）注意到响应度是随波长而变化的，而量子效率与波长无关。量子效率和响应度都是描述器件光电转化能力的物理量，只是分析的角度不同：量子效率是器件在内部呈现的微观灵敏特性；响应度是在外部电路中呈现的宏观灵敏特性。PS:光伏型-光电池探测器原理：光生伏特效应光照特性（如下图）：l 开路电压输出模式：非线性（电压-光强），灵敏度高l 短路电流输出模式：线性好（电流-光强），灵敏度低l图2 硅光电池及其光照电流电压特性热门光传感器产品分析2014-04-08 21:25:05 来源:上海微技术工研院关键字： 光传感器 继苹果、三星在手机和平板电脑上应用了光传感器之后，光传感器开始大范围的应用在了消费类电子产品上。全球各品牌的手机平板厂商，包括中国手机厂商

7、如中兴，华为，酷派，联想等，纷纷推出了应用组合或独立的光传感器的产品。激增的终端应用，带动了光传感器市场的迅速成长。奥地利微电子(AMS) 、凌耀科技(Capella) 、安华高(Avago)、夏普(Sharp) 、英特矽尔(Intersil) 、美信(Maxim)等厂商是光传感器的主要供应商，其中奥地利微电子(AMS)和来自台湾的凌耀科技(Capella)在整体光传感器市场的占有率之和超过五成。光传感器在消费类电子产品中主要有四种应用类型：环境光传感器，接近传感器，RGB传感器和手势传感器。环境光传感器(ALS)，可用来测量手机或平板电脑周围的环境光强度，以调整屏幕亮度并节省电池电量；接近传感器，当手机放到头部附近时禁用手机的触屏，以避免不需要的输入，并关掉显示屏灯光从而节省电量；RGB传感器，通过红、绿和蓝色波长测量空间的色温，以校正设备现实的白平衡；手势传感器，可以在用户不使用触控功能的情况下也能操作手机或平板电脑，大大提升了用户体验。TMD2771奥地利微电子(AMS)于2011年收购了总部位于美国德州的光传感技术创新厂商Taos，为其奠定了成为首席光传感器解决方案供应商的基础

8、。奥地利微电子(AMS)的环境光与接近传感器的组合产品TMD2771被广泛地应用在众多国内外智能手机品牌中，如国外品牌三星的Galaxy终端系列、LG的Optimus系列、Nokia的Lumia系列、Pantech、NEC、Fujistu、Xolo等，国内品牌华为Ascend系列、联想乐Phone系列、中兴中高端机型、步步高vivo系列等等，其应用涵盖了高中低端全线产品。TMD2771为环境光，接近传感器和红外LED的三合一传感器，采用了开孔封装，封装尺寸为3.94 mm x 2.4 mm x 1.35 mm。环境光和接近传感器由同一颗集成了PD和ASIC的芯片实现。图一 TMD2771开封概貌图TMD2771的ASIC芯片采取了SOI工艺，工艺节点为0.35um，由三层铝布线和一层多晶硅组成，芯片面积约1.85mm2。外延层厚度约为18um。图二 TMD2771 芯片全图以及PD区四个象限的PD阵列，都采用相同的结构，但在N阱的尺寸上有所差别。N阱与P型外延（衬底）构成光电二极管，金属与N+注入区相连构成器件一端，另外一端通过旁边的P阱接触孔，连接到模拟地。N阱之间的P+注入区没有参

9、与构成光电二极管，而是为了加强对表面光生载流子的收集, 在感光单元周围设置了一圈P+ 注入保护环, 与地电平相连，同时可以防止寄生晶体管N阱-P型外延（衬底）-N阱导通。 I和II象限的N阱尺寸一致，N阱深约3.0um，N阱宽约3.2um；III和IV象限的N阱尺寸一致，N阱深约1.8um，N阱宽约2.5um。图三 I和II象限PD的掺杂形貌图四 III和IV象限PD的掺杂形貌金属层覆盖的二极管主要是检测红外光，金属层未覆盖的二极管检测可见光和红外光。这两个二极管的掺杂形貌一致。根据PD的掺杂形貌推断，该区域的N阱掺杂由多次离子注入形成，相比扩散工艺，成本较高。CM36682台湾凌耀科技Capella Microsystems，原本专职研发光电相关应用晶片，后来在与电视客户合作时，顺势切入光感测IC技术领域，并由此再分出距离感测IC等产品线。凌耀科技于2008年推出第一颗将红外接近传感器与环境光传感器整合在一起的芯片，目前市场占有率仅次于奥地利微电子。被应用在HTC One上的CM36682为环境光，接近传感器和红外LED的三合一传感器，采取开孔封装，封装尺寸为4.02 mm x2.02 mm x1.10 mm。环境光和接近传感器也由同一颗集成了PD和ASIC的芯片实现。图五

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