微电子与电子第三章2

第3 章 光接收器件及集成技术 3.3 基于III－V族半导体材料的光电探测器 半导体光电探测器是利用内光电效应进行光电探测的，通过吸收光子产生电子-空穴对从而在外电路产生光电流。其过程可以分为三步：光子吸收产生电子-空穴对，在适当内电场作用下载流子的漂移，欧姆接触收集载流子。半导体光电探测器有以下优点：结构紧凑、低工作电压、宽频谱范围、高量子效率、器件稳定性好、工作温度范围宽、可批量生产、成本低等。正是由于这些优点使半导体光电探测器得到了广泛应用，从可见光波段到红外波段，从光纤通信到光学测距，从激光制导到光电成像，半导体光电探测器都显示了其优异的性能。 和激光器不同，众多半导体材料都可用来制造光电探测器。只要入射光波长在半导体材料的光谱吸收范围，即使是硅锗这样的间接带隙材料也可用来制造光电探测器。这些材料包括：IV 族单晶 Si，Ge；III－V 族二元及多元组分化合物 GaAs，InP，InSb，GaAlAs，InGaAs，InGaP，InGaAsP 等。对于硅这样间接带隙材料其光谱吸收曲线不像 GaAs 那样具有陡峭吸收边，其吸收系数也相应小许多，其波长吸收极限为1.1μm。在小于这一波长范围内，硅是广泛使用的光电探测器材料。由于其电子与空穴离化率之比很高，用它制成的雪崩二极管的噪声很小，从而使得带宽增益很大。锗的光谱吸收范围最宽，覆盖了可见光波段到光通信波段。因此锗可用来制造长波长 1.3 μm 和 1.55 μm 波段光纤通信探测器。锗光电探测器遇到主要问题是其暗电流较大，从而导致了灵敏度、光谱响应及温度稳定性等一系列问题而限制了它的应用。现在光通信波段广泛使用的光电探测器材料是InGaAs和 InGaAsP，这些 III-V 族组分化合物可以通过调整各组分的含量以改变禁带宽度，从而使其光谱吸收曲线拓展到光通信波段。 根据光电探测器结构的不同，光电探测器可以分为4 种：即 pn 结光电探测器、PIN 光电探测器、APD 雪崩光电二极管及金属－半导体－金属 MSM 光电探测器。其中 pn 结光电探测器是结构最简单的一种探测器，其结构为一个普通的pn 结，光生载流子在电场作用下漂移到 pn 结两边。由于普通pn 结耗尽区太窄，光生载流子含有扩散成分，严重影响了器件工作速度。因此人们在pn 结中间加了一层本征层以增加耗尽层宽度，这样就使得光生载流子在强电场作用下漂移到pn 结，避免了载流子扩散成分对光电探测器的影响，极大地提高了工作速度。APD 结构最复杂，具有内部增益功能...