硅光電二極管結構特性研究

宋玲玲

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110000）

1 引 言

光電二極管和普通的二極管相比雖然都屬于單向導電的非線性半導體器件，但結構上有特殊之處，例如，光電二極管使用時要反向接入電路中[1]。當無光照時，電路中的反向飽和漏電流很小，稱為暗電流，范圍在1×10-8A 到1×10-9A 之間，此時相當于光電二極管截止；當有光照射時，PN 結受光子轟擊，吸收光子能量的價電子被激發產生電子空穴對，相比多數載流子來說這些被激發的載流子影響并不大，但對P、N 區的少數載流子來說，少子數量明顯增加。通過反向電壓的作用，反向飽和漏電流大幅提升，形成了光電流，該光電流隨入射光強度的變化而相應變化[2]。大部分光電器件應用產品正是基于這一原理使各自功能得以實現。

2 硅光電二極管基本結構及原理

光電二極管是一種能夠實施光電轉換的器件，其基本原理是當光線照射在PN 結結面上時，PN 結通過吸收將光能轉變為電能[3]，此為一個吸收過程。

硅光電二極管是在N 型單晶硅襯底上擴散一層P 型雜質，形成一個較薄的P+型擴散層[4]。平面擴散型PN 結硅光電二極管的基本結構如圖1 所示。通過注入擴散成P+N 結，P+區的光子到達PN 結區產生光電子；另外，為了實現歐姆接觸，在N 型單晶硅襯底背面注入擴散形成高濃度N+擴散區。硅光電二極管的等效電路如圖2 所示。

圖1 平面擴散型PN 結硅光電二極管結構圖

圖2 等效電路圖

圖2 中電流源IS是硅光電二極管受光照激發后所產生的光電流IL、暗電流Id和噪聲電流In之和，即：

一般情況下，質量合格的器件，噪聲電流會很小，可以忽略不計。在利用硅光電二極管對光信號進行測量時，暗電流可以通過調零消除。但要注意暗電流受溫度影響較大，在室溫下，隨溫度增加1倍，暗電流提升10 倍；同時，暗電流還與外加電壓和結面積成正比關系，外加偏壓越高、面積越大，暗電流就越大。在不計暗電流和噪聲電流影響時，可以近似地認為IS≈IL。

圖2 中，串聯電阻RS和結電容Cd的大小與二極管的尺寸、結構和偏壓有關。偏壓越大，RS、Cd越小。硅光電二極管耗盡層電阻和漏電阻構成了硅光電二極管的并聯電阻Rd，其阻值隨溫度變化，與二極管尺寸有關。結面積越小，溫度越高，Rd就越小。

該產品在結構設計上具有如此特點是為了獲得較大的光敏區面積，增大管芯尺寸。每個管芯都是由連續N 多個光敏區面積依次增加的小光電二極管組成，成串聯關系。

正因為這一結構特點，增加了芯片在加工過程中的難度。任何一只光電二極管失效，都將導致整個管芯失效。單晶片本身襯底晶格缺陷或加工環境在光敏區引入的顆粒缺陷、人為劃傷等都可能直接導致管芯失效，最終表現為測試時漏電流過大或者光電流小等問題。因此，該結構產品的加工對工藝水平要求高，同一工藝條件下，流片的成品率和一致性較差，產品電參數時好時壞。設計上還需進一步優化。

3 優化結構及工藝

欲對通常形態的硅光電二極管產品加以優化改進，須從具體的物理機理入手。硅光電二極的光電流IL可如下式表示[5]：

式中，LN、LP是PN 結兩側少子擴散長度；Xm是PN 結勢壘寬度；g 為電子空穴對產生率。光電流大小與材料選擇、PN 結面積和結深有關。可通過優化版圖設計、增加光敏區面積、淺結離子注入/擴散、薄氧化層保護及防反膜等技術，提高硅光電二極管的性能。

光電二極管的暗電流Id可如下式所示：

式中，ni是硅的本征載流子濃度；ε 是硅的相對介電常數；ε0是真空介電常數；VA是外加電壓；ND為N 型材料摻雜濃度；ττp為少子壽命；q 為電子電荷；Aj為PN 結面積。ni、ε、ε0和q 皆為常數；VA為已知條件，可以看出Id和τp成反比關系。由于暗電流取決于無光照時的表面漏電和結漏電，結合上述分析，優化主要從以下幾方面進行：

(一) 選用長壽命、高電阻率的N＜100＞型硅片作為襯底材料以減少結漏電。

(二) 在光敏區增加一層增透膜，使產品在其應用的光源波段增強吸收，更大程度產生光電流。

在單層膜系中，有兩個界面，也就是入射光所在的介質（空氣）和膜層的界面（n1）及膜層與基底的界面（n2）。膜層的折射率n1小于基底的折射率n2時，膜系的反射率比沒有鍍膜基底的反射率一般都低，即膜層有增透作用。任意兩相鄰反射光由于光程上的差別所引起的相位差[6]為：

其中λ 為真空中波長；i1是光在膜層中的折射角，d1為介質層的厚度。當光線垂直入射時，i1為0，cos i1等于1。從式(4)可以看出n1d1=λ0/4 時，增透效果最佳。

以紅外波長940 nm 為例，單層膜系，硅襯底光電二極管增透防反膜是SiO2時，其折射率為1.45，根據公式得出最小膜厚為162 nm；增透防反膜是氮化硅時，折射率應為2.01，可以算出其最小膜厚為116 nm。雙層增透膜一般工藝采用下面SiO2膜，上面Si3N4膜，通過改善對特定波長的透射率特性，使膜系在較寬的波段上有良好的增透效果。其控制難點在于膜厚和均勻性控制。

(三) 增加N+環和P 環減少漏電流。

光電二極管光敏區的SiO2保護膜中含有少量不移動的正離子，但通過這些正離子的靜電感應可以在P 型Si 表面形成感應電子層[7]，導電類型與N型Si 相同，于是P 型Si 和N 型Si 就連通了。在外加偏壓的作用下，從前極流出的暗電流包含PN 結反向電流和這個感應電子層產生的漏電流。因此，一方面要在加工過程中嚴格控制清洗工藝和凈化環境，減少膜層內正離子；另一方面，注入形成N+型Si 環結構保護光敏區，在N+型Si 環上引出環極接到高于前極的電位之上，為表面漏電流提供一條通路，達到減小流過負載的暗電流、減小噪聲的目的。該結構不影響期間使用，若環極懸空，除暗電流噪聲大些，光電二極管的其他性能并不受影響[8]。

P 環部分與光敏區重疊相連，這樣可以有效減小暗電流，并且通過提高光敏區的反向結電壓，使結特性更加穩定。優化后的器件結構如圖3 所示。

圖3 優化后光電二極管結構示意圖

4 結 束 語

通過選用長壽命、高電阻率的N＜100＞型硅片作為襯底材料，在光敏區增加增透膜，以及在光敏區的邊緣注入雜質形成P 環等措施，有效解決了平面擴散型PN 結硅光電二極管在同一工藝條件下流片成品率和一致性較差及產品電參數不穩定的問題。該優化后的結構暗電流小且某特定波段下光靈敏度高，特別對于受光光源在600耀1500 nm 的紅光和紅外光敏感，在光電探測器領域有較大的應用前景。