半导体光电探测器的发展及应用
引言
半导体光电探测器由于体积小，重量轻，响应速度快，灵敏度高，易于与其它半导体器件集成，是光源的最理想探测器，可广泛用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统。最近几年，由于超高速光通信、信号处理、测量和传感系统的需要，需要超高速高灵敏度的半导体光电探测器。为此，发展了谐振腔增强型（RCE）光电探测器、金属半导体-金属行波光电探测器，以及分离吸收梯度电荷和信增（SAGCM）雪崩光电探测器（APD）等。
谐振腔增强型(RCE)光电探测器
现代高性能的光通信、信号处理和测量系统，需要光电探测器必须具有高的响应速度和高的灵敏度。对于高带宽的光信号探测，需要光电探测器的最佳典型结构是薄的光吸收区。然而，薄的光吸收层必定导致半导体材料在吸收系数比较小的波长位置的量子时效率减小。虽然带宽超过200GHz的光电探测器也已研制成功，但带宽效率积仍然受材料特性的限制。在肖特基光电探测器中，金属接触中的光损耗进一步受到顶部照射器件量子效率的限制，增加器件的响应度只靠采用半透明的肖特基接触。最近几年发展的光电子器件新种类--谐振腔增强型结构光电探测器，靠有源器件结构内部的法布里-泊罗谐振腔，使器件的量子效率在谐振波长位置猛烈增强，带宽效率积惊人地改善，致使允许制作薄的光吸收区。所以，RCE结构探测器方案对肖特基型光电探测器特别有吸引力。
器件结构
RCE肖特基光电探测器结构的各层用分子束外延生长在GaAs衬底上，如图1所示。谐振腔由GaAs-AlAs分布布拉格反射（DBR）的底部反射器和半透明的顶部金（Au）接触形成。InGaAs吸收层的In克分子数低于10%，为了避免载流子俘获，两个异质结层都线性地形成25nm的梯度。总的吸收区厚度为130nm左右，用来消除腔中的持续波效应。通过耗尽区中吸收层位置的最佳化，得到电子和空穴的最小渡越时间。器件用光刻法制作，采用台面隔离和Au空桥连接顶部，接触到片上的微波共平面传输线。Au接触层厚度为20nm，Si3N4涂盖层厚度200nm。
国内的发展水平
据因特网消息：中国科学院半导体所光电子技术研究中心，研制了用于光通信的新型光电子器件垂直腔面发射激光器和光电探测器。特别是他们用分子束外延在GaAs衬底上生长InGaAs外延层，制作了InGaAs多量子阱（MQW）谐振腔增强型光电探测器（RCE-PD）。测得这种光电探测器的峰值响应波长为1298nm，半最大值全宽（FWHM）为5nm，波长调整范围为10nm，暗电流为20PA，电容为2PF，3dB带宽300MHz。另外一种光电探测器峰值响应波长为1060nm，半最大值全宽FWHM为1.6nm，波长调整范围为10nm，暗电流为30PA，电容为2PF，3dB带宽为450MHz。
另据报道：中国科学院半导体研究所在注入氧分隔（SIMOX）的晶片上，研制了正面进光和背面进光的两种SiGe/Si谐振腔增强型光电探测器。SIMOX晶片正面的Si层厚度为250nm，氧化物的厚度也为250nm。SiGe/Si多量子阱用MBE外延生长在SIMOX衬底上，生长温度为600℃。SiO2/Si分布布拉格反射器用电子束蒸发淀积，形成具有SIMOX晶片掩埋氧化物层的垂直微腔。正面进光的RCE光电探测器在 =1285nm波长时，峰值响应度为10.2mA/W；背面进光的器件在 =1305nm时，峰值响应度为19mA/W。背面进光的响应度几乎为正面进光的响应度的2倍，主要是由于背面进光的器件镜面反射率高达99%，而正面进光的器件镜面反射率只80%。
金属-半导体-金属行波光电探测器
低温生长GaAs(LTG-GaAs)基光电探测器（PD）由于它们短的响应时间、高的电带宽、低的暗电流，以及它们能够与其微波器件例如微波天线集成而受到大大关注。然而，LTG-GaAs的宽吸收能隙（～800nm）限制了它在长波长（1300-1500nm）光通信的应用。在长波长制式，几个PS的响应时间已从LTG-InGaAs基PD得到了，但这比短波长制式的LTG-GaAs基PD的亚PS响应时间长得多。近来，有几个研究组在长波长光通信制式使用垂直照射结构或边缘耦合行波结构，演示了LTG-GaAs基p-i-n/n-i-n和MSM PD。通过使用内部能隙对导带的欠态跃迁，在LTG-GaAs中得到了低于带隙的光子吸收。然而，由于低于能隙的吸收系数比准能带-能带吸收系数小得多，用常规的垂直照射PD结构，得到的量子效率是极低的（约为0.6mA/W）。边缘耦合的p-i-n/n-i-n行波PD结构，低效率问题可以靠增加器件的吸收长度克服。虽然最大输出功率可随器件吸收长度而增加，但电带宽将严重地降低。
分离吸收梯度电荷和倍增雪崩光电探测器
雪崩光电二极管（APD）是0.92-1.65 m波长范围工作的现代长拖曳高比特速率光通信系统最广泛使用的光电探测器。在各种APD结构中，分离吸收梯度电荷和倍增（SAGCM）结构是最有前途的APD结构之一。它具有高的性能例如：高的内部增益、可靠性改善，以及超过100GHz的高增益带宽积。
集成微镜的InGaAs光电探测器
光耦合在光通信的器件特性中是很重要的。使用折射微镜可以增加光耦合效率和耦合容差。因此，它的应用随光电子器件封装微型化而被广泛接受。聚合物微镜已用于MSM光电探测器和光发射二极管。半导体材料有比较高的折射率，符合需要大合成数值孔径的微镜。至今，对半导体微镜的研究方法包括：光致抗蚀剂回流干腐蚀、表面微机械和投影掩模再生长等。然而，这些方法需要多工艺步骤和/或高价的工艺设备。
2002年，韩国Samsung电子公司光电子部的S。R。Cho等人，研制了与半导体微镜集成的InGaAs p-i-n光电探测器。这种p-i-n光电探测器具有典型的外延层结构。它由n+-InP缓冲层、n -InGaAs吸收层和n -InP项层组成。全部外延层用金属有机气相外延（MOVPE）技术生长在n+-InP衬底上。然后，P区用SiN掩蔽的后置生长Zn扩散工艺选择形成。圆形微镜制作在InP-InGaAs-InP p-i-n光电探测器的后部，这是InP晶体。在微镜制作之前，InP衬底减薄到120 m并且抛光。测量结果表明，这种与半导体微镜集成的InGaAs p-i-n光电探测器的光纤耦合容差提高超过50%。
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量子阱红外光电探测器
量子阱红外光电探测器（QWIP）受到许多商业、工业和军事应用的关注，因为它们的性能可以与传统的HgCdTe探测器竞争。目前，大多数QWIPs是生长在GaAs（GsAs-AlGaAs材料系统）和InP（InGaAs-InP材料系统）衬底上，基于这些QWIPs的大制式焦平面阵列（FPA）摄像机已经研制成功了。但是，FPA的读出集成电路（ROIC）是硅基的，复杂的技术象倒装晶片焊接技术使FPA与硅基ROIC混合集成为必需的技术。
2002年，IEEE会员J.Jiang等人，用Si作衬底研制了InGaAs-InP量子阱红外光电探测器。使用低温成核层技术和厚缓冲层材料生长技术在Si上生长InP。使用现场热循环退火技术减少InP在Si上的线错密度。使用这个方法，使探测器的暗电流减小2个数量级，在77K和7-9 m波长范围得到探测灵敏度高达2.3 109cmHz1/2/W。
高速叉指式Ge PIN光电探测器
工作在1.3 m波长，用于高速和长拖曳光传输的光电探测器是光传输系统广泛研究的主题。至今，许多这个工作都集中在Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的长波长光电探测器。Ge被认为是代替材料，因为它有适合于1.3 m波长的带隙，间接带隙0.67eV，直接带隙0.81eV。Ge有达到高速性能的潜力，因为它在电信波长有高的电子迁移率和高的光吸收系数。此外，Ge有希望应用于例如微波和毫米波光子系统，这种需要高的光电流和高的线性度的系统。近来Ge在Si衬底上外延层的沉积工艺技术使Ge更有吸引力，因为它容易与Si集成电路技术兼容。已有报道用在Si衬底外延生长的Ge制作金属-半导体-金属（MSM）光电探测器。
为了得到高的响应度，使用叉指式的平面结构。平面结构的MSM光电探测器已广泛应用，因为它比较容易制作和具有低的电容。然而，MSM探测器与PIN探测器比较，量子效率低，暗电流大。
位敏探测器
位敏探测器（PSDs）是一种重要的光传感器。薄膜型晶硅基分离器件具有许多优点，其中主要优点是有潜力制作大面积器件而没有内部中断或分界面，以便它们对光输入信息提供连续的传感。PSD用于准直、光处理和机器人视觉系统等。
2001年，澳大利亚西部大学电气与电子工程学院的J.Henry等人，用新的氢化非晶硅（a-Si∶H）肖特基势垒结构制作的薄膜位敏探测器PSD与常规的晶体硅器件位敏探测器进行了比较研究。测得a-Si∶H结构的器件输出线性相关系数为r=0.983-0.997，晶硅器件如Pt/C-Si和Au-In/C-Si器件的r近似为1。另外a-Si∶H结构器件的空间分辨小于50 m，而晶硅（C-Si）结构器件的空间分辨小于10 m。
结语
半导体光电探测器正朝着超高速、高灵敏度、宽带宽以及单片集成的方向发展，它可广泛地应用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统。
半导体光电探测器由于体积小，重量轻，响应速度快，灵敏度高，易于与其它半导体器件集成，是光源的最理想探测器，可广泛用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统。最近几年，由于超高速光通信、信号处理、测量和传感系统的需要，需要超高速高灵敏度的半导体光电探测器。为此，发展了谐振腔增强型（RCE）光电探测器、金属半导体-金属行波光电探测器，以及分离吸收梯度电荷和信增（SAGCM）雪崩光电探测器（APD）等。
谐振腔增强型(RCE)光电探测器
现代高性能的光通信、信号处理和测量系统，需要光电探测器必须具有高的响应速度和高的灵敏度。对于高带宽的光信号探测，需要光电探测器的最佳典型结构是薄的光吸收区。然而，薄的光吸收层必定导致半导体材料在吸收系数比较小的波长位置的量子时效率减小。虽然带宽超过200GHz的光电探测器也已研制成功，但带宽效率积仍然受材料特性的限制。在肖特基光电探测器中，金属接触中的光损耗进一步受到顶部照射器件量子效率的限制，增加器件的响应度只靠采用半透明的肖特基接触。最近几年发展的光电子器件新种类--谐振腔增强型结构光电探测器，靠有源器件结构内部的法布里-泊罗谐振腔，使器件的量子效率在谐振波长位置猛烈增强，带宽效率积惊人地改善，致使允许制作薄的光吸收区。所以，RCE结构探测器方案对肖特基型光电探测器特别有吸引力。
器件结构
RCE肖特基光电探测器结构的各层用分子束外延生长在GaAs衬底上，如图1所示。谐振腔由GaAs-AlAs分布布拉格反射（DBR）的底部反射器和半透明的顶部金（Au）接触形成。InGaAs吸收层的In克分子数低于10%，为了避免载流子俘获，两个异质结层都线性地形成25nm的梯度。总的吸收区厚度为130nm左右，用来消除腔中的持续波效应。通过耗尽区中吸收层位置的最佳化，得到电子和空穴的最小渡越时间。器件用光刻法制作，采用台面隔离和Au空桥连接顶部，接触到片上的微波共平面传输线。Au接触层厚度为20nm，Si3N4涂盖层厚度200nm。
国内的发展水平
据因特网消息：中国科学院半导体所光电子技术研究中心，研制了用于光通信的新型光电子器件垂直腔面发射激光器和光电探测器。特别是他们用分子束外延在GaAs衬底上生长InGaAs外延层，制作了InGaAs多量子阱（MQW）谐振腔增强型光电探测器（RCE-PD）。测得这种光电探测器的峰值响应波长为1298nm，半最大值全宽（FWHM）为5nm，波长调整范围为10nm，暗电流为20PA，电容为2PF，3dB带宽300MHz。另外一种光电探测器峰值响应波长为1060nm，半最大值全宽FWHM为1.6nm，波长调整范围为10nm，暗电流为30PA，电容为2PF，3dB带宽为450MHz。
另据报道：中国科学院半导体研究所在注入氧分隔（SIMOX）的晶片上，研制了正面进光和背面进光的两种SiGe/Si谐振腔增强型光电探测器。SIMOX晶片正面的Si层厚度为250nm，氧化物的厚度也为250nm。SiGe/Si多量子阱用MBE外延生长在SIMOX衬底上，生长温度为600℃。SiO2/Si分布布拉格反射器用电子束蒸发淀积，形成具有SIMOX晶片掩埋氧化物层的垂直微腔。正面进光的RCE光电探测器在 =1285nm波长时，峰值响应度为10.2mA/W；背面进光的器件在 =1305nm时，峰值响应度为19mA/W。背面进光的响应度几乎为正面进光的响应度的2倍，主要是由于背面进光的器件镜面反射率高达99%，而正面进光的器件镜面反射率只80%。
金属-半导体-金属行波光电探测器
低温生长GaAs(LTG-GaAs)基光电探测器（PD）由于它们短的响应时间、高的电带宽、低的暗电流，以及它们能够与其微波器件例如微波天线集成而受到大大关注。然而，LTG-GaAs的宽吸收能隙（～800nm）限制了它在长波长（1300-1500nm）光通信的应用。在长波长制式，几个PS的响应时间已从LTG-InGaAs基PD得到了，但这比短波长制式的LTG-GaAs基PD的亚PS响应时间长得多。近来，有几个研究组在长波长光通信制式使用垂直照射结构或边缘耦合行波结构，演示了LTG-GaAs基p-i-n/n-i-n和MSM PD。通过使用内部能隙对导带的欠态跃迁，在LTG-GaAs中得到了低于带隙的光子吸收。然而，由于低于能隙的吸收系数比准能带-能带吸收系数小得多，用常规的垂直照射PD结构，得到的量子效率是极低的（约为0.6mA/W）。边缘耦合的p-i-n/n-i-n行波PD结构，低效率问题可以靠增加器件的吸收长度克服。虽然最大输出功率可随器件吸收长度而增加，但电带宽将严重地降低。
分离吸收梯度电荷和倍增雪崩光电探测器
雪崩光电二极管（APD）是0.92-1.65 m波长范围工作的现代长拖曳高比特速率光通信系统最广泛使用的光电探测器。在各种APD结构中，分离吸收梯度电荷和倍增（SAGCM）结构是最有前途的APD结构之一。它具有高的性能例如：高的内部增益、可靠性改善，以及超过100GHz的高增益带宽积。
集成微镜的InGaAs光电探测器
光耦合在光通信的器件特性中是很重要的。使用折射微镜可以增加光耦合效率和耦合容差。因此，它的应用随光电子器件封装微型化而被广泛接受。聚合物微镜已用于MSM光电探测器和光发射二极管。半导体材料有比较高的折射率，符合需要大合成数值孔径的微镜。至今，对半导体微镜的研究方法包括：光致抗蚀剂回流干腐蚀、表面微机械和投影掩模再生长等。然而，这些方法需要多工艺步骤和/或高价的工艺设备。
2002年，韩国Samsung电子公司光电子部的S。R。Cho等人，研制了与半导体微镜集成的InGaAs p-i-n光电探测器。这种p-i-n光电探测器具有典型的外延层结构。它由n+-InP缓冲层、n -InGaAs吸收层和n -InP项层组成。全部外延层用金属有机气相外延（MOVPE）技术生长在n+-InP衬底上。然后，P区用SiN掩蔽的后置生长Zn扩散工艺选择形成。圆形微镜制作在InP-InGaAs-InP p-i-n光电探测器的后部，这是InP晶体。在微镜制作之前，InP衬底减薄到120 m并且抛光。测量结果表明，这种与半导体微镜集成的InGaAs p-i-n光电探测器的光纤耦合容差提高超过50%。
[page]
量子阱红外光电探测器
量子阱红外光电探测器（QWIP）受到许多商业、工业和军事应用的关注，因为它们的性能可以与传统的HgCdTe探测器竞争。目前，大多数QWIPs是生长在GaAs（GsAs-AlGaAs材料系统）和InP（InGaAs-InP材料系统）衬底上，基于这些QWIPs的大制式焦平面阵列（FPA）摄像机已经研制成功了。但是，FPA的读出集成电路（ROIC）是硅基的，复杂的技术象倒装晶片焊接技术使FPA与硅基ROIC混合集成为必需的技术。
2002年，IEEE会员J.Jiang等人，用Si作衬底研制了InGaAs-InP量子阱红外光电探测器。使用低温成核层技术和厚缓冲层材料生长技术在Si上生长InP。使用现场热循环退火技术减少InP在Si上的线错密度。使用这个方法，使探测器的暗电流减小2个数量级，在77K和7-9 m波长范围得到探测灵敏度高达2.3 109cmHz1/2/W。
高速叉指式Ge PIN光电探测器
工作在1.3 m波长，用于高速和长拖曳光传输的光电探测器是光传输系统广泛研究的主题。至今，许多这个工作都集中在Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的长波长光电探测器。Ge被认为是代替材料，因为它有适合于1.3 m波长的带隙，间接带隙0.67eV，直接带隙0.81eV。Ge有达到高速性能的潜力，因为它在电信波长有高的电子迁移率和高的光吸收系数。此外，Ge有希望应用于例如微波和毫米波光子系统，这种需要高的光电流和高的线性度的系统。近来Ge在Si衬底上外延层的沉积工艺技术使Ge更有吸引力，因为它容易与Si集成电路技术兼容。已有报道用在Si衬底外延生长的Ge制作金属-半导体-金属（MSM）光电探测器。
为了得到高的响应度，使用叉指式的平面结构。平面结构的MSM光电探测器已广泛应用，因为它比较容易制作和具有低的电容。然而，MSM探测器与PIN探测器比较，量子效率低，暗电流大。
位敏探测器
位敏探测器（PSDs）是一种重要的光传感器。薄膜型晶硅基分离器件具有许多优点，其中主要优点是有潜力制作大面积器件而没有内部中断或分界面，以便它们对光输入信息提供连续的传感。PSD用于准直、光处理和机器人视觉系统等。
2001年，澳大利亚西部大学电气与电子工程学院的J.Henry等人，用新的氢化非晶硅（a-Si∶H）肖特基势垒结构制作的薄膜位敏探测器PSD与常规的晶体硅器件位敏探测器进行了比较研究。测得a-Si∶H结构的器件输出线性相关系数为r=0.983-0.997，晶硅器件如Pt/C-Si和Au-In/C-Si器件的r近似为1。另外a-Si∶H结构器件的空间分辨小于50 m，而晶硅（C-Si）结构器件的空间分辨小于10 m。
结语
半导体光电探测器正朝着超高速、高灵敏度、宽带宽以及单片集成的方向发展，它可广泛地应用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统。
(编辑 Rita)