硅光电二极管结构特性研究

宋玲玲

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110000）

1 引 言

光电二极管和普通的二极管相比虽然都属于单向导电的非线性半导体器件，但结构上有特殊之处，例如，光电二极管使用时要反向接入电路中[1]。当无光照时，电路中的反向饱和漏电流很小，称为暗电流，范围在1×10-8A 到1×10-9A 之间，此时相当于光电二极管截止；当有光照射时，PN 结受光子轰击，吸收光子能量的价电子被激发产生电子空穴对，相比多数载流子来说这些被激发的载流子影响并不大，但对P、N 区的少数载流子来说，少子数量明显增加。通过反向电压的作用，反向饱和漏电流大幅提升，形成了光电流，该光电流随入射光强度的变化而相应变化[2]。大部分光电器件应用产品正是基于这一原理使各自功能得以实现。

2 硅光电二极管基本结构及原理

光电二极管是一种能够实施光电转换的器件，其基本原理是当光线照射在PN 结结面上时，PN 结通过吸收将光能转变为电能[3]，此为一个吸收过程。

硅光电二极管是在N 型单晶硅衬底上扩散一层P 型杂质，形成一个较薄的P+型扩散层[4]。平面扩散型PN 结硅光电二极管的基本结构如图1 所示。通过注入扩散成P+N 结，P+区的光子到达PN 结区产生光电子；另外，为了实现欧姆接触，在N 型单晶硅衬底背面注入扩散形成高浓度N+扩散区。硅光电二极管的等效电路如图2 所示。

图1 平面扩散型PN 结硅光电二极管结构图

图2 等效电路图

图2 中电流源IS是硅光电二极管受光照激发后所产生的光电流IL、暗电流Id和噪声电流In之和，即：

一般情况下，质量合格的器件，噪声电流会很小，可以忽略不计。在利用硅光电二极管对光信号进行测量时，暗电流可以通过调零消除。但要注意暗电流受温度影响较大，在室温下，随温度增加1倍，暗电流提升10 倍；同时，暗电流还与外加电压和结面积成正比关系，外加偏压越高、面积越大，暗电流就越大。在不计暗电流和噪声电流影响时，可以近似地认为IS≈IL。

图2 中，串联电阻RS和结电容Cd的大小与二极管的尺寸、结构和偏压有关。偏压越大，RS、Cd越小。硅光电二极管耗尽层电阻和漏电阻构成了硅光电二极管的并联电阻Rd，其阻值随温度变化，与二极管尺寸有关。结面积越小，温度越高，Rd就越小。

该产品在结构设计上具有如此特点是为了获得较大的光敏区面积，增大管芯尺寸。每个管芯都是由连续N 多个光敏区面积依次增加的小光电二极管组成，成串联关系。

正因为这一结构特点，增加了芯片在加工过程中的难度。任何一只光电二极管失效，都将导致整个管芯失效。单晶片本身衬底晶格缺陷或加工环境在光敏区引入的颗粒缺陷、人为划伤等都可能直接导致管芯失效，最终表现为测试时漏电流过大或者光电流小等问题。因此，该结构产品的加工对工艺水平要求高，同一工艺条件下，流片的成品率和一致性较差，产品电参数时好时坏。设计上还需进一步优化。

3 优化结构及工艺

欲对通常形态的硅光电二极管产品加以优化改进，须从具体的物理机理入手。硅光电二极的光电流IL可如下式表示[5]：

式中，LN、LP是PN 结两侧少子扩散长度；Xm是PN 结势垒宽度；g 为电子空穴对产生率。光电流大小与材料选择、PN 结面积和结深有关。可通过优化版图设计、增加光敏区面积、浅结离子注入/扩散、薄氧化层保护及防反膜等技术，提高硅光电二极管的性能。

光电二极管的暗电流Id可如下式所示：

式中，ni是硅的本征载流子浓度；ε 是硅的相对介电常数；ε0是真空介电常数；VA是外加电压；ND为N 型材料掺杂浓度；ττp为少子寿命；q 为电子电荷；Aj为PN 结面积。ni、ε、ε0和q 皆为常数；VA为已知条件，可以看出Id和τp成反比关系。由于暗电流取决于无光照时的表面漏电和结漏电，结合上述分析，优化主要从以下几方面进行：

(一) 选用长寿命、高电阻率的N＜100＞型硅片作为衬底材料以减少结漏电。

(二) 在光敏区增加一层增透膜，使产品在其应用的光源波段增强吸收，更大程度产生光电流。

在单层膜系中，有两个界面，也就是入射光所在的介质（空气）和膜层的界面（n1）及膜层与基底的界面（n2）。膜层的折射率n1小于基底的折射率n2时，膜系的反射率比没有镀膜基底的反射率一般都低，即膜层有增透作用。任意两相邻反射光由于光程上的差别所引起的相位差[6]为：

其中λ 为真空中波长；i1是光在膜层中的折射角，d1为介质层的厚度。当光线垂直入射时，i1为0，cos i1等于1。从式(4)可以看出n1d1=λ0/4 时，增透效果最佳。

以红外波长940 nm 为例，单层膜系，硅衬底光电二极管增透防反膜是SiO2时，其折射率为1.45，根据公式得出最小膜厚为162 nm；增透防反膜是氮化硅时，折射率应为2.01，可以算出其最小膜厚为116 nm。双层增透膜一般工艺采用下面SiO2膜，上面Si3N4膜，通过改善对特定波长的透射率特性，使膜系在较宽的波段上有良好的增透效果。其控制难点在于膜厚和均匀性控制。

(三) 增加N+环和P 环减少漏电流。

光电二极管光敏区的SiO2保护膜中含有少量不移动的正离子，但通过这些正离子的静电感应可以在P 型Si 表面形成感应电子层[7]，导电类型与N型Si 相同，于是P 型Si 和N 型Si 就连通了。在外加偏压的作用下，从前极流出的暗电流包含PN 结反向电流和这个感应电子层产生的漏电流。因此，一方面要在加工过程中严格控制清洗工艺和净化环境，减少膜层内正离子；另一方面，注入形成N+型Si 环结构保护光敏区，在N+型Si 环上引出环极接到高于前极的电位之上，为表面漏电流提供一条通路，达到减小流过负载的暗电流、减小噪声的目的。该结构不影响期间使用，若环极悬空，除暗电流噪声大些，光电二极管的其他性能并不受影响[8]。

P 环部分与光敏区重叠相连，这样可以有效减小暗电流，并且通过提高光敏区的反向结电压，使结特性更加稳定。优化后的器件结构如图3 所示。

图3 优化后光电二极管结构示意图

4 结 束 语

通过选用长寿命、高电阻率的N＜100＞型硅片作为衬底材料，在光敏区增加增透膜，以及在光敏区的边缘注入杂质形成P 环等措施，有效解决了平面扩散型PN 结硅光电二极管在同一工艺条件下流片成品率和一致性较差及产品电参数不稳定的问题。该优化后的结构暗电流小且某特定波段下光灵敏度高，特别对于受光光源在600耀1500 nm 的红光和红外光敏感，在光电探测器领域有较大的应用前景。