收稿日期:2003-08-10.光电器件InGaAs四象限探测器莫才平,高新江,王兵(重庆光电技术研究所,重庆400060)摘要:采用InP/InGaAs/InP双异质结结构研制了对人眼安全的1.54～1.57μmInGaAs四象限探测器。对器件结构设计和材料选择进行了讨论。在对响应时间、象限串扰、暗电流和响应度等参数进行计算与分析的基础上,优化了器件结构参数。实验结果表明,器件响应度达到0.90A/W,响应时间为2ns,暗电流低于5nA,象限串扰达到1%(象限间隔20μm),象限均匀性为4%。关键词:InGaAs四象限探测器;串扰;异质结中图分类号:TN364.2文献标识码:A文章编号:1001-5868(2004)01-0019-03InGaAsFour2quadrantPhoto2detectorMOCai2ping,GAOXin2jiang,WANGBing(ChongqingOptoelectronicsResearchInstitute,Chongqing400060,CHN)Abstract:Theeye2safe1.54～1.57μmInGaAsfour2quadrantphoto2detectorwithdoublehetero2junctionInP/InGaAs/InPisdiscussed.Thedesignofthedeviceconfigurationandtheselectionofthematerialaredescribed.Onthebasisofsystematicalanalysisandcalculationofthephoto2detector’simportantcharacteristics,suchastheresponsetime,thecross2talk,thedarkcurrent,theresponsivity,theoptimumstructureandthetechnologyparametersaregiven.Theresponsivityofthedeviceismorethan0.90A/W,withtheresponsetimeof～2ns,thedarkcurrentoflessthan5nA,thecross2talkof1%(atthequadrantintervalof20μm),andtheuniformityof4%.Keywords:InGaAsfour2quadrantphoto2detector;cross2talk;hetero2junction1引言激光导引头、激光经纬仪等光电跟踪、定位和准直仪器中常用四象限探测器作为光电传感器[1]。目前,军事和民用装备中大都采用1.06μm的Si四象限探测器,由于1.06μm波长的激光经人眼聚焦进入视网膜,在很短的距离内若不加防护观察,将会使人眼永久致盲。而InGaAs四象限探测器在1.54～1.57μm波长范围有较高的响应,该波长激光在进入人眼视网膜以前将被人眼的液体部位吸收和耗散掉,对人眼最安全[2],且处于1.5～1.8μm的大气传输窗口,对烟雾的穿透能力强。因此,开发InGaAs四象限探测器已成为激光制导、激光瞄准、探索、跟踪等装备的迫切需求,也是民用大气检测、土壤水分和碳化物等监控所需象限探测器的发展趋势。N.Emeis等[3]于1991年研制出了InGaAs/InP四象限探测器,其光敏面直径为30μm,象限间隔为60μm,沟道利用CH4/H2干腐蚀刻出,背照外量子效率为70%。由于该器件对外延材料和制作工艺有较高的要求,国内目前还未见到相关研制报道。我们制作出的器件响应度高,象限串扰小,响应时间短,能较好地满足实际需要。2管芯结构及外延材料设计我们研制的是大面积阵列探测器采用如图1所示设计方案。为了使器件有较高的响应度,以及考虑到与现有的平面工艺兼容且保证器件的可靠性,器件采用正照平面型结构。其中,p区利用闭管Zn扩散进行·91·《半导体光电》2004年第25卷第1期莫才平等:InGaAs四象限探测器©1995-2007TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.高掺杂,光敏面直径设计为1mm;相邻象限之间的间隔为20μm。选用InP/InGaAs/InP双异质结外延材料,用MOCVD技术在InP衬底上依次淀积In0.53Ga0.47As(Eg=0.75eV)吸收层和InP(Eg=1.35eV)顶层,扩散形成的pn结结深达到InGaAs层中。禁带宽度大的一边(InP)作为光照面,能量大于1.35eV的光子被InP材料吸收,其光生载流子达不到pn结势垒区,因而对光电信号无贡献。而能量小于1.35eV的长波光子将穿透InP层,被位于耗尽区的In0.53Ga0.47As窄禁带材料吸收,产生光电信号。异质结的这种宽禁带材料的滤波作用使探测器具有高量子效率、低背景噪声,且信号比较均匀。为了减小异质结的漏电流,两种半导体的晶格常数必须严格匹配。In0.53Ga0.47As三元化合物不但覆盖1.54～1.57μm波长范围,而且该材料与磷化铟衬底和顶层有接近完美的晶格匹配。图1芯片结构图3器件参数设计3.1探测器的响应度探测器的响应度Re定义为输出光电流Ip与入射光功率Pin之比值,表示为Re=Ip/Pin=qηλ/hc(1)式中:q为电子电荷,η为量子效率,λ为入射光波长,h为普朗克常数,c为真空中光速。将常数q、h和c代入式...
