1 064 nm連續(xù)激光輻照硅基PIN探測(cè)器輸出電流恢復(fù)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)研究

梁超，魏智，金光勇，王頔，麻健雄

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 物理學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

光電探測(cè)器是氣象衛(wèi)星、激光測(cè)距、激光通信上最常用的傳感器，具有量子效率高和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，對(duì)醫(yī)療和經(jīng)濟(jì)具有重大影響，適用于各種不同溫度條件（從低溫77 K至常溫300 K左右）和各種波長(zhǎng)范圍（從微波、遠(yuǎn)紅外、紅外、可見光一直到紫外）的光電器件［1-4］。與其他光學(xué)器件相比，光電探測(cè)器在其激光輻照時(shí)，更容易受到損壞，當(dāng)光敏面有輕微褶皺、凸起時(shí)，輸出電流可以恢復(fù)，光電探測(cè)器功能性退化或暫時(shí)性失效；光敏面被熔融甚至被擊穿時(shí)，其輸出電流不能恢復(fù)，光電探測(cè)器光電性能永久性損傷甚至失效。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)激光輻照硅基PIN光電探測(cè)器的損傷機(jī)理進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。1976年，Kruer M等人［5］利用1.06 μm脈沖激光輻照硅光電二極管實(shí)驗(yàn)研究，得到微觀損傷光響應(yīng)的退化閾值。2005年，Chen J K等人［6］研究超短脈沖激光對(duì)半導(dǎo)體器件的損傷進(jìn)行了數(shù)值模擬，并計(jì)算載流子的密度、晶格參數(shù)等，得到單光子吸收和俄歇復(fù)合是影響電子空穴載體的兩個(gè)關(guān)鍵因素。2009年，徐立君等人［7］對(duì)短路電流進(jìn)行比較，觀察實(shí)驗(yàn)過程中激光輻照光電探測(cè)器電流的變化。2015年，周弘毅［8］基于半導(dǎo)體物理基本理論，對(duì)硅基PIN光電探測(cè)器的電學(xué)性能和參數(shù)進(jìn)行研究，提出光生載流子的收集的作用，通過對(duì)暗電流的理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，提出光電探測(cè)器的電場(chǎng)分布，提高載流子的收集效率，并找到暗電流的根源。2017年，豐亞潔等人［9］對(duì)硅基PIN光電探測(cè)器的電場(chǎng)隔離結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，分析得到電場(chǎng)隔離結(jié)構(gòu)主要降低的是與周長(zhǎng)有關(guān)的暗電流。2021年，劉紅煦等人［10］對(duì)長(zhǎng)脈沖輻照硅基QPD損傷面積和形貌進(jìn)行研究。測(cè)量在不同的脈寬、不同能量密度下，硅基QPD單一象限的損傷面積、形貌隨脈寬和能量密度變化的情況。結(jié)果表明：在毫秒脈沖激光作用下，硅基QPD產(chǎn)生表面剝落、褶皺、裂紋、熔坑等損傷效果，且主要受入射激光功率密度影響，損傷面積隨激光能量密度逐漸增加，隨脈寬增加逐漸降低，并得出在不同脈寬、不同能量密度下的損傷閾值。2021年，姚猛等人［11］對(duì)納秒激光輻照硅基PIN光電探測(cè)器的瞬態(tài)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，使用脈沖寬度為8 ns的納秒激光輻照工作在偏置電壓3.2 V下的硅基PIN光電二極管，測(cè)量了該二極管在不同能量密度輻照下的單脈沖響應(yīng)特性。結(jié)果表明：隨著入射激光能量密度變大，響應(yīng)信號(hào)下降沿的時(shí)間逐漸變大，并出現(xiàn)展寬現(xiàn)象，二極管的瞬態(tài)響應(yīng)特性發(fā)生了退化，并且器件在加載反向電壓信號(hào)回復(fù)速度呈兩相變化，兩階段下降沿的數(shù)據(jù)均有絕對(duì)增幅和相對(duì)增幅，比較發(fā)現(xiàn)第一段下降沿起著信號(hào)展寬的主導(dǎo)作用。上述研究工作者大多對(duì)光電探測(cè)器損傷機(jī)制給出常見的現(xiàn)象分析，更加清楚地了解損傷過程、損傷效果，更加明確激光輻照硅基PIN光電探測(cè)器過程中多種現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)性。但對(duì)于連續(xù)激光輻照硅基PIN光電探測(cè)器的研究較少。因此，針對(duì)1 064 nm連續(xù)激光輻照硅基PIN光電探測(cè)器電流恢復(fù)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)展開研究，對(duì)不同外置偏壓條件下，激光輻照硅基PIN光電探測(cè)器的輸出電流的變化規(guī)律，給出相應(yīng)的影響機(jī)制，對(duì)進(jìn)一步提高硅基PIN光電探測(cè)器抗激光損傷能力具有十分重要的意義。

本實(shí)驗(yàn)所用PIN型號(hào)為GT102，該器件在反向偏置電壓條件下工作。剖面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其多層結(jié)構(gòu)的各層幾何參數(shù)為：P+區(qū)厚度1.5 μm；I區(qū)厚度 300 μm；N+區(qū)厚度 1 μm；氮化硅厚度140 nm；Al電極厚度1 μm。整體尺寸1.5×1.5 mm2，在反向偏置條件下工作時(shí)，響應(yīng)度為0.2 A/W，峰值波長(zhǎng)在950 nm左右，光譜響應(yīng)范圍在400～1 100 nm，光敏面直徑1 mm。其中I區(qū)為高阻抗區(qū)，電壓基本都落在I區(qū)［12］。

圖1 硅基PIN光電探測(cè)器剖面結(jié)構(gòu)圖

1 實(shí)驗(yàn)建立

1 064 nm連續(xù)激光輻照硅基PIN光電探測(cè)器的輸出電流恢復(fù)時(shí)間實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由連續(xù)激光、衰減片、分光鏡、功率計(jì)、聚焦透鏡、電學(xué)參數(shù)測(cè)量?jī)x和示波器組成，其中衰減片、分光鏡、功率計(jì)、聚焦透鏡組成激光功率測(cè)量系統(tǒng)。示波器和電學(xué)參數(shù)測(cè)量?jī)x組成在線電流測(cè)量系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)其輸出電流。本實(shí)驗(yàn)采用的連續(xù)激光器的型號(hào)為（Yic-500-ac），波長(zhǎng)為 1 064 nm，輸出功率范圍為1～50 W，激光空間分布為高斯分布。實(shí)驗(yàn)中，輸出激光經(jīng)聚焦透鏡聚焦后輻照在硅基PIN光電探測(cè)器上，激光半徑為200 μm，光電探測(cè)器加載在固定偏壓下，利用示波器在線監(jiān)測(cè)光電探測(cè)器的光響應(yīng)信號(hào)，從而定量分析連續(xù)激光輻照硅基PIN光電探測(cè)器的輸出電流恢復(fù)時(shí)間的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 1 064 nm連續(xù)激光輻照硅基PIN光電探測(cè)器輸出電流恢復(fù)時(shí)間實(shí)驗(yàn)裝置圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在實(shí)驗(yàn)過程中，利用示波器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)硅基PIN光電探測(cè)器輸出電流恢復(fù)時(shí)間的變化規(guī)律，硅基PIN光電探測(cè)器受連續(xù)激光輻照的輸出電流隨功率密度、外置偏壓、作用時(shí)間如圖3所示。

從圖3（a）、圖3（b）中可以看出，當(dāng)連續(xù)激光作用時(shí)間相同，外置電壓相同時(shí)，隨著功率密度增加，恢復(fù)時(shí)間也增加。這是因?yàn)椋β拭芏鹊脑黾訉?dǎo)致光電探測(cè)器的溫度上升，且連續(xù)激光輻照硅基PIN光電探測(cè)器時(shí)，就會(huì)破壞其內(nèi)部平衡態(tài)，產(chǎn)生一定數(shù)目的非平衡載流子，其溫度越高，載流子無序化運(yùn)動(dòng)越快，激光輻照結(jié)束后，其勢(shì)壘恢復(fù)所需要的時(shí)間越長(zhǎng)，恢復(fù)時(shí)間隨著功率密度的增加而增加?；謴?fù)成熱平衡態(tài)條件所需時(shí)間越長(zhǎng)。

圖3 不同外置偏壓、不同功率密度的輸出電流隨時(shí)間變化圖

從圖4（a）中可以看出，當(dāng)電壓為20 V，激光作用時(shí)間為4 s，功率密度為3 873.610 W/cm2時(shí)，輸出電流恢復(fù)時(shí)間為34 s；功率密度為4 842.012 W/cm2時(shí)，輸出電流恢復(fù)時(shí)間38 s；功率密度為5 895.862 W/cm2時(shí)，輸出電流恢復(fù)時(shí)間為46 s；功率密度為6 864.265 W/cm2時(shí)，輸出電流恢復(fù)時(shí)間為56 s。從圖4（b）中可以看出，當(dāng)電壓為30 V，作用時(shí)間為4 s，功率密度為3 902.092 W/cm2時(shí)，輸出電流的恢復(fù)時(shí)間為34 s；功率密度為4 842.012 W/cm2時(shí)，輸出電流恢復(fù)時(shí)間為38 s；功率密度為5 838.897 W/cm2時(shí)，輸出電流的恢復(fù)時(shí)間為46 s；功率密度為6 807.300 W/cm2時(shí)，輸出電流的恢復(fù)時(shí)間為52 s。

圖4 不同外置偏壓、相同作用時(shí)間的輸出電流恢復(fù)時(shí)間隨功率密度變化圖

從圖 5（a）、圖 5（b）中可以看出，當(dāng)功率密度為7 319.984 W/cm2，作用時(shí)間為4 s時(shí)，外置偏壓為10 V時(shí)，恢復(fù)時(shí)間為60 s；外置偏壓為20 V時(shí)，恢復(fù)時(shí)間為60 s；外置偏壓為30 V時(shí)，恢復(fù)時(shí)間為60 s；外置偏壓為40 V時(shí)，恢復(fù)時(shí)間也為60 s。不同外置偏壓下的輸出電流恢復(fù)時(shí)間均為60 s，可以看出隨著外置電壓的增加，其恢復(fù)的時(shí)間不隨偏壓變化而變化，輸出電流的恢復(fù)時(shí)間相同，與外置偏壓無關(guān)，恢復(fù)時(shí)間不受電壓的變化而變化。

圖5 相同功率密度、不同外置電壓的輸出電流及恢復(fù)時(shí)間變化圖

3 結(jié)論

本文對(duì)1 064 nm連續(xù)激光輻照硅基PIN光電探測(cè)器的輸出電流恢復(fù)時(shí)間開展了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)過程中獲得了不同的功率密度、不同外置電壓、不同作用時(shí)間條件下輸出電流恢復(fù)時(shí)間的變化規(guī)律。得出恢復(fù)時(shí)間的變化基本不受電壓的影響。外置電壓一定，作用時(shí)間一定，恢復(fù)時(shí)間隨著功率密度的增加而增加。結(jié)果表明：不同的外置偏壓對(duì)恢復(fù)時(shí)間的變化沒有影響；隨著功率密度的增加，PIN光電探測(cè)器表面溫度變高，產(chǎn)生一定數(shù)目非平衡載流子，溫度越高，內(nèi)部非平衡載流子無序化運(yùn)動(dòng)越快，當(dāng)連續(xù)激光輻照結(jié)束后，其勢(shì)壘重新建立時(shí)間變長(zhǎng)，恢復(fù)成平衡態(tài)所需時(shí)間變長(zhǎng)，即恢復(fù)時(shí)間變長(zhǎng)。本文的研究工作可為改善硅基PIN光電探測(cè)器的抗激光加固措施提供一定的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)參考，以延長(zhǎng)光電探測(cè)器的使用壽命，并對(duì)提高PIN光電探測(cè)器在激光應(yīng)用領(lǐng)域的性能具有重要意義。