空間高速InGaAs-PIN光電二極管輻射損傷效應(yīng)試驗(yàn)研究

高 欣，王 俊，馮展祖，汪 偉，楊生勝，尹 飛，黃新寧，薛玉雄，把得東

（1. 真空技術(shù)與物理國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 空間環(huán)境材料行為及評(píng)價(jià)技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3. 蘭州空間技術(shù)物理研究所：蘭州 730000；4. 中國科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710119）

0 引言

高速光電探測器是空間激光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，被廣泛應(yīng)用在包括衛(wèi)星內(nèi)部以及衛(wèi)星間通信的空間光通信領(lǐng)域。PIN光電二極管和雪崩光電二極管具有良好的靈敏度和響應(yīng)特性，是目前最為常用的光電探測器，其中：雪崩光電二極管由于其內(nèi)部的雪崩效應(yīng)具有很高的靈敏度，但是噪聲也較大；而PIN光電二極管沒有內(nèi)部增益，故噪聲較小，信噪比很高，且由于其本征層很厚，導(dǎo)致耗盡區(qū)加寬，所以響應(yīng)速度快；此外，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，PIN光電二極管探測器采用混合集成電路形式，器件之間連線短，縮小了連接線帶來的信號(hào)延遲，也有利于進(jìn)一步提高器件的響應(yīng)速度[1]。

然而，空間高能帶電粒子輻射可以使PIN光電二極管的電學(xué)和光學(xué)性能下降，影響激光通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，在將光電二極管集成到光通信系統(tǒng)之前，評(píng)價(jià)分析其輻射損傷特征與抗輻射性能，對(duì)于保障衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行是極其重要的。

空間輻射對(duì)半導(dǎo)體光電器件的輻射效應(yīng)主要包括電離與位移損傷。電離是一種瞬時(shí)影響，會(huì)引起電子?空穴對(duì)增加與界面損傷，通常在輻射劑量低于1×105rad(Si)的情況下，不會(huì)造成光電器件的永久性損傷[2-3]。一般認(rèn)為，在空間輻射環(huán)境中半導(dǎo)體光電二極管的性能衰退主要是由于輻射引起的位移損傷造成的[4-7]。位移損傷會(huì)使光電二極管的半導(dǎo)體材料晶格缺陷數(shù)量增加，縮短少數(shù)載流子的壽命。電離和位移損傷都會(huì)引起光電二極管量子效率下降，表面復(fù)合速率和復(fù)合電流增加，最終導(dǎo)致光電流減小與暗電流增大，影響光電二極管可探測的最小光功率。

針對(duì)可見光波段的硅基PIN光電二極管的輻射損傷效應(yīng)，國內(nèi)外開展了大量研究，得到了較為全面的輻射損傷數(shù)據(jù)[8-11]。但是，對(duì)于InGaAs等紅外波段光電二極管，尤其是應(yīng)用于空間激光通信的高性能PIN光電二極管的輻射損傷效應(yīng)數(shù)據(jù)相對(duì)缺乏。本文利用質(zhì)子、中子和伽馬射線輻照源輻照激光通信系統(tǒng)擬選用的新型高速InGaAs-PIN光電二極管，并對(duì)其輻射損傷效應(yīng)開展對(duì)比研究，分析電離與位移損傷對(duì)PIN光電探測器的光學(xué)和電學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)樣品

本項(xiàng)研究使用的近紅外波段InGaAs-PIN半導(dǎo)體光電二極管，由中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所研制。該光電二極管的光敏面直徑100 μm，光譜響應(yīng)范圍800～1700 nm，工作速率5 Gbit/s。光電二極管的各項(xiàng)性能指標(biāo)相對(duì)均衡，具有低暗電流、低電容、高量子效率以及較大的光敏面（更容易與光纖耦合），適合應(yīng)用于空間激光通信系統(tǒng)的高速激光信號(hào)接收組件。PIN光電二極管屬于平面型光電探測器，其橫截面結(jié)構(gòu)如圖1所示：在厚350 μm的InP襯底上生長一層約1 μm厚的InP緩沖層，然后再沉積一層約2 μm厚的InGaAs本征層，其上是0.7 μm厚的InP帽層，最后是0.1 μm厚的InGaAs歐姆接觸層和0.15 μm厚的SixN減反射膜。PIN器件采用TO封裝結(jié)構(gòu)，輻照試驗(yàn)前須去除金屬帽與玻璃窗口，且由于試驗(yàn)樣品性能參數(shù)存在個(gè)體差異，還要先篩選出性能參數(shù)基本一致的樣品，在每一輻照條件下取3個(gè)樣品進(jìn)行測試，測試結(jié)果取其平均值。

圖1 PIN光電二極管結(jié)構(gòu)的橫截面Fig. 1 Cross section of the structure of the PIN photodiode

2 試驗(yàn)方案

2.1 輻照方案

利用蘭州空間技術(shù)物理研究所的雙束加速器與60Co-γ射線源開展光電器件的質(zhì)子和伽馬射線輻照試驗(yàn)；利用中國原子能科學(xué)研究院的中子輻射源開展中子輻照試驗(yàn)。輻照試驗(yàn)時(shí)，樣品放置在鋁金屬樣品臺(tái)上，并使器件各引腳處于短路狀態(tài)，以防止輻照過程中的靜電放電對(duì)器件造成損傷。所有器件在室溫條件下進(jìn)行輻照試驗(yàn)，以便最小化熱退火效應(yīng)。分別利用2 MeV質(zhì)子、14 MeV中子和60Co-γ射線源開展PIN光電二極管輻照試驗(yàn)：質(zhì)子輻照注量為 6.0×1011、1.2×1012和 2.2×1012p/cm2；中子輻照注量為 1.35×1012、2.92×1012、5.00×1012n/cm2；60Co-γ射線輻照劑量為 9.40×104、2.48×105和 7.20×105rad(Si)。質(zhì)子輻照試驗(yàn)在真空條件下進(jìn)行，真空度優(yōu)于10-3Pa；中子和伽馬射線輻照試驗(yàn)在大氣環(huán)境下進(jìn)行。

2.2 測試方案

當(dāng)達(dá)到特定的輻照注量或劑量后，立即取出樣品（除了中子輻照后需要放置24 h去活化）進(jìn)行光電性能參數(shù)測試，以便比較輻照前后光電器件的性能參數(shù)變化情況。性能參數(shù)測試在室溫條件下進(jìn)行，使用Keithley 4200A-SCS半導(dǎo)體參數(shù)測試儀對(duì)光電器件的I?V和C?V特性參數(shù)進(jìn)行測試，測試時(shí)樣品放置于屏蔽箱中，以防止外部電磁和光的干擾。本研究設(shè)計(jì)了一套具備精密對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的特殊夾具平臺(tái)，包含一套準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)，用于控制激光束斑在光電探測器上的尺寸和位置，以使激光器與外部連接光功率計(jì)的光電探測器之間能夠保持精確對(duì)準(zhǔn)，保證所有激光輻射都能夠被探測器捕獲。

3 輻射劑量分析

利用GEANT4輻射輸運(yùn)工具箱模擬分析質(zhì)子、中子和伽馬射線在InGaAS-PIN光電二極管各層材料中沉積的輻射劑量，模擬結(jié)果如圖2和圖3所示。由于2 MeV質(zhì)子不能完全穿透PIN器件的InP襯底（350 μm厚），所以模擬給出的質(zhì)子在襯底中的沉積劑量取其在襯底表面10 μm內(nèi)的沉積劑量；而中子沉積劑量為其在整個(gè)襯底中的沉積劑量。比較圖中不同輻射源在本征層（I層，吸收絕大部分光信號(hào)，并產(chǎn)生電子?空穴對(duì)）沉積的劑量，可以看出：注量為6.0×1011p/cm2的質(zhì)子在I層沉積的電離總劑量約為7.09×105rad(Si)，接近60Co-γ射線的輻照劑量（7.20×105rad(Si)）；并且其沉積的位移損傷劑量約為2.05×1010MeV/g，與注量為5.0×1012n/cm2的中子所沉積的位移損傷劑量（約1.89×1010MeV/g）也較接近。

圖2 質(zhì)子和伽馬射線在PIN光電二極管各層結(jié)構(gòu)中沉積的電離總劑量Fig. 2 Total ionizing doses deposited by proton and γ ray in different layers of the PIN photodiodes

圖3 質(zhì)子和中子在PIN光電二極管各層結(jié)構(gòu)中沉積的位移損傷劑量Fig. 3 The displacement damage doses deposited by proton and neutron in different layers of the PIN photodiodes

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 暗電流

InGaAs-PIN光電二極管在高速光通信系統(tǒng)中用作接收機(jī)的光探測器，其功能特點(diǎn)主要是寬帶（覆蓋高頻段）和高靈敏度。為了獲得高靈敏度的激光信號(hào)探測能力，PIN光電二極管必須有很小的暗電流和電容[11]。圖4給出的是輻照前后PIN光電二極管的暗電流隨反向偏壓的變化情況。反偏狀態(tài)下的PIN暗電流主要由3部分構(gòu)成：1）體內(nèi)由熱激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子擴(kuò)散電流；2）耗盡區(qū)中熱發(fā)射載流子的產(chǎn)生復(fù)合電流；3）表面漏電流，主要與表面缺陷、清潔度、偏置電壓、表面面積等因素有關(guān)。圖4結(jié)果顯示，輻照后PIN光電二極管的暗電流顯著增加，并且質(zhì)子輻照后的暗電流比伽馬射線輻照后的暗電流大3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，中子輻照后的結(jié)果介于前兩者之間。因此，質(zhì)子和中子輻照后，PIN光電二極管可探測的最小光功率也會(huì)顯著增大，影響器件性能。

圖4 質(zhì)子、中子和伽馬射線輻照后PIN光電二極管的暗電流衰退特征曲線Fig. 4 Degradation characteristics of the PIN photodiodes'dark current under proton, neutron and gamma irradiations

分析認(rèn)為質(zhì)子和中子造成PIN光電二極管更嚴(yán)重的輻射損傷主要是位移損傷引起的：質(zhì)子和中子與InGaAs本征層的晶格原子發(fā)生彈性碰撞，產(chǎn)生空位?間隙原子對(duì)，從而在禁帶中產(chǎn)生各種缺陷能級(jí)；缺陷能級(jí)作為復(fù)合中心，使得本征層耗盡區(qū)中的少數(shù)載流子壽命縮短；而耗盡區(qū)勢壘的產(chǎn)生復(fù)合電流與載流子壽命成反比，導(dǎo)致非輻射復(fù)合電流增大[12]。從圖4還可以看出，隨著反偏電壓的增大，暗電流曲線逐漸變得平坦并趨于飽和。這主要是由于輻射引入的缺陷逐漸被電荷占據(jù)，產(chǎn)生復(fù)合電流趨向飽和狀態(tài)。從暗電流隨反偏電壓增大至逐漸飽和的過程可以得出，在所加偏壓范圍內(nèi)沒有發(fā)生缺陷輔助的隧道效應(yīng)（trap-assisted tunneling）——

該效應(yīng)下隨著輻照劑量的增加，缺陷密度進(jìn)一步增大，缺陷輔助的隧道電流將成為暗電流的重要來源，暗電流將會(huì)急劇上升，飽和趨勢被破壞[13-14]。圖5和圖6分別給出在不同反向偏壓條件下

（5、12、15 V），暗電流隨中子和質(zhì)子在器件源區(qū)沉積的位移損傷劑量的變化?？梢钥闯觯喊惦娏麟S位移損傷劑量的增加而增大；暗電流與中子位移損傷劑量基本成線性關(guān)系；然而隨著反向偏壓增大，暗電流與質(zhì)子位移損傷劑量逐漸偏離線性關(guān)系，且曲線斜率明顯大于中子輻照下的情況，這可能是由于質(zhì)子沉積的電離輻射在本征層界面處產(chǎn)生正電荷俘獲和界面態(tài)，這種表面電荷會(huì)縮短少數(shù)載流子的壽命，也可以增加載流子表面復(fù)合速度，從而進(jìn)一步增大漏電流，當(dāng)電離總劑量足夠高時(shí)甚至可在器件表面形成漏電通道。

圖5 不同反向偏壓下PIN光電二極管暗電流隨中子位移損傷劑量變化Fig. 5 Dark current of the PIN photodiodes vs. the displacement damage dose of neutrons at different reversed bias voltages

圖6 不同反向偏壓下PIN光電二極管暗電流隨質(zhì)子位移損傷劑量變化Fig. 6 Dark current of the PIN photodiodes vs. the displacement damage dose of protons at different reversed bias voltages

4.2 光電流

圖7～圖9給出在10 V反向偏壓下，質(zhì)子、中子和伽馬射線輻照前后PIN光電二極管的輸出光電流隨波長為1550 nm的入射光功率的變化。其中的光電流數(shù)據(jù)為電流表實(shí)測數(shù)值，并未扣除器件的暗電流部分?？梢钥吹剑撼藞D7中能量為2 MeV、注量為2.2×1012p/cm2的質(zhì)子輻照后光電流變化曲線，其余曲線基本呈現(xiàn)線性變化趨勢，即光電流與入射光功率基本成正比關(guān)系（在探測器飽和前）；并且，在同樣的入射光功率條件下，質(zhì)子輻照后的光電流最大，而伽馬射線輻照后的光電流最小。這是由于PIN光電二極管在質(zhì)子輻照后的暗電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于伽馬射線輻照后的暗電流，增加的光電流疊加在暗電流之上，造成質(zhì)子輻照后的光電流變得非常大。

圖7 質(zhì)子（2 MeV）輻照前后PIN光電二極管的光電流隨入射光（λ=1550 nm）功率的變化Fig. 7 The changes of the PIN photodiodes' photo current against the input light(λ=1550 nm) power before and after proton(2 MeV) irradiations

圖8 中子（14 MeV）輻照前后PIN光電二極管的光電流隨入射光（λ=1550 nm）功率的變化Fig. 8 The changes of the PIN photodiodes' photo current against the input light(λ=1550 nm) power before and after neutron(14 MeV) irradiations

圖9 伽馬射線輻照前后PIN光電二極管的光電流隨入射光（λ=1550 nm）功率的變化Fig. 9 The changes of the PIN photodiodes' photo current against the light power(λ=1550 nm) before and after 60Co-γ irradiations

對(duì)3種輻射源輻照前后的光電流曲線進(jìn)行線性擬合，獲得光電流曲線的斜率（見表1），可以看出不同輻射源輻照前后的PIN光電二極管的光電流曲線斜率基本相同，表明單位入射光功率產(chǎn)生近似等量的光電流，也就是說輻照對(duì)于PIN光電二極管的光電流影響不大。

表1 PIN光電二極管在不同輻射源輻照前后光電流曲線斜率變化Table 1 The slopes of the PIN's photo current curve before and after irradiations by different radiation sources

4.3 光譜響應(yīng)

圖10～圖12給出在10 V反向偏壓下，質(zhì)子、中子和伽馬射線輻照前后，在850～1650 nm波段范圍，PIN光電二極管的光譜響應(yīng)。

圖10 質(zhì)子（2 MeV）輻照前后PIN光電二極管在 850～1650 nm波段光譜響應(yīng)度Fig. 10 The responsivity of the PIN photodiodes to 800～1650 nm input light before and after proton(2 MeV)irradiations

光譜響應(yīng)度是光電探測器的響應(yīng)電流與光輻射通量的比值，一般利用單色光源入射到探測器上，然后測量探測器的響應(yīng)電流而獲得。圖10～圖12中不同波長入射光產(chǎn)生的光電流已經(jīng)扣除了相應(yīng)的暗電流部分，可以看出：在InGaAs-PIN光電二極管的光譜響應(yīng)范圍下限附近，二極管的光譜響應(yīng)極微弱，質(zhì)子和中子輻照后，在850 nm波長處，光電流非常微弱至無法與暗電流區(qū)分開來，因此圖10和圖11均未給出850 nm處的光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)；除質(zhì)子輻照后光譜響應(yīng)度有較明顯的變化外，中子和伽馬射線輻照對(duì)PIN光電二極管的光譜響應(yīng)度影響很小，與輻照對(duì)光電流的影響結(jié)果基本一致。

圖11 中子（14 MeV）輻照前后PIN光電二極管在850～1650 nm波段光譜響應(yīng)度Fig. 11 The responsivity of the PIN photodiodes to 800～1650 nm input light before and after neutron(14 MeV) irradiations

圖12 伽馬射線輻照前后PIN光電二極管在850～1650 nm波段光譜響應(yīng)度Fig. 12 The responsivity of the PIN photodiodes to 800～1650 nm input light before and after 60Co-γ irradiations

4.4 C-V 特性

圖13和圖14給出不同輻射源輻照前后PIN光電二極管反向電容?電壓（C?V）特征曲線，測量頻率分別為1 MHz和10 MHz。曲線分為高電容區(qū)和低電容區(qū)，分別對(duì)應(yīng)的是溝道累積態(tài)和耗盡態(tài)。

圖13 PIN光電二極管在質(zhì)子、中子輻照前后的C?V特征曲線Fig. 13 The C-V characteristics of the PIN photodiodes before and after proton and neutron irradiations

圖14 PIN光電二極管在伽馬射線輻照前后的C?V特征曲線Fig. 14 The C-V characteristics of the PIN photodiodes before and after 60Co-γ irradiation

由圖13可以看出，測量頻率為1 MHz時(shí)，質(zhì)子和中子輻照后，在0 V偏壓下溝道累積區(qū)的電容從3.63 pF增加到4.13 pF；當(dāng)反偏電壓增加到5 V以上，質(zhì)子和中子輻照后的C?V特征曲線將會(huì)與輻照前的C?V曲線重疊成同一條曲線，并且電容基本不再發(fā)生變化，接近2.21 pF的恒定值。這是由于隨著反偏電壓的增大，輻照引入的缺陷基本被電荷占據(jù)，產(chǎn)生復(fù)合電流趨向飽和，耗盡區(qū)寬度接近最大值，從而PIN器件電容趨于最小值，這與隨著反偏電壓增大暗電流趨向飽和的機(jī)理是一致的。

由圖14可以看出，伽馬射線輻照后，InGaAs-PIN光電二極管的電容基本沒有發(fā)生變化，這與Si-PIN光電二極管的伽馬射線輻照結(jié)果一致[11]。

電容增大將會(huì)惡化PIN光電二極管的帶寬特性和響應(yīng)速度，導(dǎo)致在軌激光通信系統(tǒng)的光信號(hào)探測能力下降，因此，在空間輻射環(huán)境下保持PIN二極管相對(duì)較小的電容是非常重要的。

5 結(jié)束語

本文利用質(zhì)子、中子和伽馬射線對(duì)InGaAs-PIN光電二極管開展輻照試驗(yàn)，以評(píng)估器件在空間激光通信系統(tǒng)中使用的穩(wěn)定性和可靠性。結(jié)果表明，輻照后，InGaAs-PIN光電二極管暗電流顯著增大，質(zhì)子輻照后的暗電流比伽馬射線輻照后的大3～4個(gè)數(shù)量級(jí)。PIN光電二極管的輻射損傷主要決定于質(zhì)子和中子輻射造成的位移損傷影響：暗電流隨位移損傷劑量的增加而增大，與中子位移損傷劑量基本成線性關(guān)系，而隨質(zhì)子位移損傷劑量變化曲線的斜率明顯大于隨中子位移損傷劑量變化曲線的，這可能是由于質(zhì)子沉積了較多的電離總劑量而進(jìn)一步增大了器件的暗電流。其他測試結(jié)果表明：質(zhì)子、中子和伽馬射線輻照對(duì)PIN光電二極管的光電流、光譜響應(yīng)度以及C?V特性的影響均較小?？梢?，輻照主要是對(duì)PIN光電二極管的暗電流產(chǎn)生嚴(yán)重影響，將會(huì)使PIN二極管可探測的最小光功率增大，從而降低衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)的靈敏度。

上述研究結(jié)果可為空間輻射環(huán)境中使用光電器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗輻射加固設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)，以提高衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。