1 064 nm連續(xù)激光輻照硅基APD探測(cè)器電學(xué)性能退化的研究

方飛超，王頔，魏智，金光勇，張艷鵬

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

硅基APD探測(cè)器是最常見(jiàn)的光電器件之一，它不僅有著體積小、量子效率高、工作頻譜范圍大、噪聲低、功耗低等特點(diǎn)，而且它還是一種具有內(nèi)部增益的光電器件，它是利用PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)的高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域中載流子的雪崩倍增作用而得到的光敏二極管［1-4］。董淵等人［5］針對(duì)1 064 nm長(zhǎng)脈沖激光輻照雪崩光電二極管（Si-APD）過(guò)程中所引起的溫升變化規(guī)律進(jìn)行了理論仿真與實(shí)驗(yàn)研究。模擬仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，均表明長(zhǎng)脈沖激光與Si-APD探測(cè)器相互作用引起的溫升是由入射激光的能量密度和脈沖寬度共同決定的。Rashed A N Z博士［6］為研究APD雪崩光電二極管的使用壽命，做了高溫輻射變化實(shí)驗(yàn)，從理論上發(fā)現(xiàn)增加的操作光信號(hào)波長(zhǎng)和質(zhì)子輻照密度，導(dǎo)致器件的量子效率和增益的降低。易瑔等人［7］建立了激光輻照CCD探測(cè)器的數(shù)學(xué)模型，針對(duì)CCD探測(cè)器的毀傷機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和研究，就激光的產(chǎn)生、傳輸、作用三個(gè)過(guò)程，對(duì)激光輻照CCD探測(cè)器的毀傷情況進(jìn)行了數(shù)值分析。劉紅煦等人［8］測(cè)量了硅基正-本征-負(fù)（p-i-n）象限光電探測(cè)器（QPD）在毫秒脈沖激光輻射下的輸出電流。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)硅基QPD被設(shè)置為40 V并暴露在毫秒激光脈沖下時(shí)，輸出電流的行為可以分為三個(gè)階段：光生電流、保持電流和恢復(fù)電流。王欣［9］提出了一種具有多倍增結(jié)構(gòu)的APD探測(cè)器，通過(guò)計(jì)算載流子發(fā)生碰撞離化的空間分布，研究了雪崩效應(yīng)的內(nèi)部過(guò)程。張興等人［10］設(shè)計(jì)并制作了一種硅雪崩光電二極管（APD）四象限探測(cè)器芯片。設(shè)計(jì)結(jié)果表明：相對(duì)于傳統(tǒng)的PIN四象限探測(cè)器組件，由于硅基APD探測(cè)器本身能產(chǎn)生雪崩增益，該組件的靈敏度提高了近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。郝世聰［11］提出了一種基于硅基APD探測(cè)器的光通信系統(tǒng)，此系統(tǒng)包含多種控制及監(jiān)測(cè)單元，可以在不同的通信速率下仍然具有較高的探測(cè)靈敏度，并且開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究對(duì)所涉及的探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試。王頔［12］開(kāi)展了長(zhǎng)脈沖激光輻照硅基APD探測(cè)器的電學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)：探測(cè)器的輸出電流隨著能量密度的增加而增加。陳酒等人［13］對(duì)長(zhǎng)脈沖激光與在線硅基APD探測(cè)器相互作用過(guò)程中熱學(xué)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的驗(yàn)證研究。研究發(fā)現(xiàn)：在外置偏壓時(shí)，不僅要考慮入射激光基于在線硅基APD探測(cè)器吸收而直接形成激光熱能，還考慮由電場(chǎng)對(duì)在線硅基APD探測(cè)器內(nèi)部所做的功而間接形成焦耳熱能，并且對(duì)相關(guān)現(xiàn)象給出了合理的解釋。

暗電流和響應(yīng)度是硅基APD探測(cè)器重要的電學(xué)參數(shù)。本論文通過(guò)開(kāi)展1 064 nm連續(xù)激光輻照硅基APD探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)，并對(duì)探測(cè)器的暗電流和響應(yīng)度的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析，給出了暗電流和響應(yīng)度隨功率密度以及作用時(shí)間的變化規(guī)律，為激光輻照光電探測(cè)器機(jī)理研究的發(fā)展提供理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

在光電探測(cè)元件中，光譜響應(yīng)度（R）表征了光電探測(cè)器對(duì)不同波長(zhǎng)入射光的響應(yīng)，光譜響應(yīng)度的值越大，探測(cè)器的靈敏度越高。其數(shù)值為測(cè)試輸出電流信號(hào)與入射光功率比。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，用波長(zhǎng)為650 nm的測(cè)試激光對(duì)硅基APD探測(cè)器進(jìn)行輻照，用光功率計(jì)監(jiān)測(cè)到達(dá)探測(cè)器上面的激光功率，并對(duì)其施加180 V反向偏壓，電路中的電流即為測(cè)試輸出電流；測(cè)量響應(yīng)度表示未減去噪聲對(duì)測(cè)試輸出電流的影響所測(cè)的響應(yīng)度；實(shí)際響應(yīng)度表示減去噪聲對(duì)測(cè)試輸出電流的影響所測(cè)的響應(yīng)度。

暗電流是評(píng)價(jià)光電探測(cè)器性能的一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響到光電探測(cè)器的探測(cè)能力，暗電流表示在沒(méi)有信號(hào)光照射下的光電探測(cè)器仍有電流通過(guò)其自身。電子輸運(yùn)決定了暗電流的大小。當(dāng)光電探測(cè)器的暗電流數(shù)值較高時(shí)，入射光輻照到光電探測(cè)器的光敏面并產(chǎn)生光電流，而在這個(gè)過(guò)程中暗電流對(duì)光電流進(jìn)行干擾，不能探測(cè)到實(shí)驗(yàn)研究所需要的信息。

1 064 nm連續(xù)激光輻照硅基APD探測(cè)器電學(xué)性能退化研究的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。首先進(jìn)行激光輻照探測(cè)器的在線實(shí)驗(yàn)研究，輸出波長(zhǎng)為1 064 nm的激光器的輸出功率范圍為0～500 W，作用時(shí)間為1～3 s可調(diào)。此激光器輸出的激光通過(guò)衰減片和分光鏡后，其中一束光由聚焦透鏡將輸出激光匯聚到探測(cè)器的光敏面上。另一束光照射到光功率計(jì)上面，并且激光參數(shù)測(cè)試裝置記錄入射激光參數(shù)，同時(shí)示波器可以檢測(cè)電路中輸出電流的變化。實(shí)驗(yàn)時(shí)，一方面，對(duì)硅基APD探測(cè)器分別施加0 V、30 V、60 V、120 V、180 V的不同偏壓，另一方面，用不同功率密度的輸出激光對(duì)硅基APD探測(cè)器分別進(jìn)行1 s、2 s、3 s的不同輻照時(shí)間。激光輻照結(jié)束后，進(jìn)行離線測(cè)量響應(yīng)度的實(shí)驗(yàn)研究。用波長(zhǎng)為650 nm的激光器發(fā)射的激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡，使光束變得均勻并照射到硅基APD探測(cè)器的光敏面上，用光功率計(jì)監(jiān)測(cè)測(cè)試輸出激光到達(dá)光敏面時(shí)的輸出功率，對(duì)探測(cè)器施加180 V反向偏壓后，用電流表監(jiān)測(cè)電路中的測(cè)試輸出電流，便得出探測(cè)器響應(yīng)度的變化規(guī)律。最后進(jìn)行離線測(cè)量暗電流的實(shí)驗(yàn)研究。用遮光罩對(duì)硅基APD探測(cè)器光敏面遮光，然后調(diào)整電源電壓為180 V，在電流表上讀出的示數(shù)即是所測(cè)暗電流Idark。

圖1 1 064 nm連續(xù)激光輻照硅基APD探測(cè)器電學(xué)性能退化研究的實(shí)驗(yàn)裝置

本次研究中采用型號(hào)為GD5210的N+_P_π_P+四層結(jié)構(gòu)的“拉通型”硅基APD探測(cè)器，其結(jié)構(gòu)中光敏區(qū)（N+區(qū)）的厚度為0.1 μm，雪崩區(qū)（P區(qū)）的厚度為4 μm，吸收區(qū)（π區(qū)）的厚度為50 μm，歐姆接觸區(qū)（P+區(qū)）的厚度為250 μm。

2 結(jié)果與討論

圖2表示通過(guò)與1 064 nm連續(xù)激光輻照前硅基APD探測(cè)器的暗電流進(jìn)行對(duì)比，分別計(jì)算得出了不同作用時(shí)間下（1 s、3 s）的1 064 nm連續(xù)激光輻照硅基APD探測(cè)器后，探測(cè)器的暗電流與功率密度的變化關(guān)系。在圖中可以看出，隨著激光功率密度的增大，輻照作用后，硅基APD探測(cè)器暗電流逐漸升高。

圖2（a）表征激光輻照時(shí)間為1 s時(shí)的硅基APD探測(cè)器與激光功率密度之間的變化關(guān)系。可以看出：當(dāng)激光功率密度大達(dá)到8 000 W/cm2之前時(shí)，暗電流的變化較小，當(dāng)功率密度達(dá)到8 000 W/cm2后，暗電流變化較大，且在功率密度為13 562 W/cm2時(shí)，暗電流達(dá)到最大值，為179.1 μA。

圖2（b）表征激光輻照時(shí)間為3 s時(shí)的硅基APD探測(cè)器暗電流與功率密度之間的變化關(guān)系。可以看出：在激光功率密度為5 400 W/cm2之前時(shí)，暗電流與激光功率密度之間具有較為線性的關(guān)系，當(dāng)功率密度達(dá)到5 400 W/cm2后，硅基APD探測(cè)器暗電流隨激光功率密度變化較小，并在功率密度為8 530.3 W/cm2時(shí)，暗電流達(dá)到最大值 175.8 μA。

圖2 在180 V偏置電壓下不同作用時(shí)間硅基APD探測(cè)器的暗電流與功率密度的變化關(guān)系

圖3為激光作用時(shí)間分別為1 s和3 s的1 064 nm連續(xù)激光輻照180 V偏壓下的硅基APD探測(cè)器結(jié)束后，其對(duì)波長(zhǎng)為650 nm測(cè)試光的測(cè)量響應(yīng)度與功率密度的變化關(guān)系。在圖中可以看出，隨著激光功率密度的增大，輻照作用后，硅基APD探測(cè)器的測(cè)量響應(yīng)度在逐漸增大。

圖3 在180 V偏置電壓下不同作用時(shí)間硅基APD探測(cè)器的650 nm測(cè)量響應(yīng)度與功率密度的變化關(guān)系

圖3（a）表征了激光作用時(shí)間為1 s時(shí)的硅基APD探測(cè)器測(cè)量響應(yīng)度與激光功率密度之間的變化關(guān)系?？梢钥闯觯涸诩す夤β蔬_(dá)到7 000 W/cm2之前時(shí)，其測(cè)量響應(yīng)度隨激光功率密度的變化較小，基本穩(wěn)定在20.04 A/W。當(dāng)激光功率達(dá)到7 000 W/cm2之后，測(cè)量響應(yīng)度隨激光功率密度的變化較大，在激光功率密度達(dá)到11 000 W/cm2時(shí)，測(cè)量響應(yīng)度隨激光功率密度變化再次變小，并且在激光功率密度達(dá)到14 000 W/cm2左右時(shí)，硅基APD探測(cè)器測(cè)量響應(yīng)度達(dá)到最大值139.7 A/W。

圖3（b）表征了激光作用時(shí)間為3 s時(shí)的硅基APD探測(cè)器測(cè)量響應(yīng)度與激光功率密度之間的變化關(guān)系。可以看出：在激光功率密度在5 419.28 W/cm2之前時(shí)，硅基APD測(cè)量響應(yīng)度隨激光功率密度變化較大。并且當(dāng)激光功率密度增加到8 527.8 W/cm2時(shí)，硅基APD探測(cè)器測(cè)量響應(yīng)度最大值為136.87 A/W。

圖4表示激光作用時(shí)間分別為1 s和3 s的1 064 nm連續(xù)激光輻照180 V偏壓下的硅基APD探測(cè)器結(jié)束后，其對(duì)波長(zhǎng)為650 nm測(cè)試光的實(shí)際響應(yīng)度與功率密度的變化關(guān)系，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量得出，1 064 nm連續(xù)激光輻照硅基APD探測(cè)器前，其在180 V偏壓下的響應(yīng)度為0.27 A/W。在圖中可以看出，隨著激光功率密度的增大，輻照作用后，硅基APD探測(cè)器的實(shí)際響應(yīng)度在逐漸減小。

圖4 在180 V偏置電壓下不同作用時(shí)間硅基APD探測(cè)器的650 nm實(shí)際響應(yīng)度與功率密度的變化關(guān)系

圖4（a）表征了激光作用時(shí)間為1 s時(shí)的硅基APD探測(cè)器實(shí)際響應(yīng)度與激光功率密度之間的變化關(guān)系?？梢钥闯觯涸诩す夤β蕿? 000 W/cm2之前，實(shí)際響應(yīng)度變化較小，基本穩(wěn)定在13.26 A/W。當(dāng)激光功率達(dá)到8 000 W/cm2之后，實(shí)際響應(yīng)度隨激光功率密度變化較大，并且在功率密度為13 562.25 W/cm2左右時(shí)，硅基APD探測(cè)器實(shí)際響應(yīng)度達(dá)到最小值0.000 54 A/W，此時(shí)探測(cè)器基本被完全損傷，因此對(duì)光信號(hào)沒(méi)有響應(yīng)。

圖4（b）表征了激光作用時(shí)間為3 s時(shí)的硅基APD探測(cè)器實(shí)際響應(yīng)度與激光功率密度之間的變化關(guān)系?？梢钥闯觯杭す夤β拭芏扰c實(shí)際響應(yīng)度之間存在線性關(guān)系，在7 620.01 W/cm2作用下，硅基APD實(shí)際響應(yīng)度為1.57 A/W。并且當(dāng)激光功率密度增加到8 527.8 W/cm2時(shí)，硅基APD探測(cè)器達(dá)到實(shí)際響應(yīng)度最小值為0.062 A/W。

通過(guò)以上分析可知，探測(cè)器的暗電流組成部分有表面漏電流、產(chǎn)生復(fù)合電流和擴(kuò)散電流。探測(cè)器受到激光輻照導(dǎo)致其溫度上升，產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過(guò)晶格的屈服應(yīng)力，會(huì)引起晶鍵斷裂，晶格出現(xiàn)損傷，導(dǎo)致晶體材料缺陷，載流子壽命變短，探測(cè)器處于反向偏壓下時(shí)，耗盡區(qū)外的載流子擴(kuò)散進(jìn)入耗盡區(qū)更簡(jiǎn)單，使得本征擴(kuò)散電流、電離雜質(zhì)增多，產(chǎn)生和復(fù)合電流增大。探測(cè)器溫度上升還會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器出現(xiàn)熔融等現(xiàn)象，導(dǎo)致探測(cè)器表面復(fù)合率和表面泄漏電流隨著表面缺陷增大而增加，整體現(xiàn)象表現(xiàn)為暗電流逐漸增大。因此，隨著功率密度增大，在探測(cè)器的測(cè)試輸出電流中，暗電流作用逐漸大于光電流作用，嚴(yán)重影響著光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換率，最終導(dǎo)致探測(cè)器的測(cè)量響應(yīng)度逐漸增大，探測(cè)器的實(shí)際響應(yīng)度逐漸減小。

3 結(jié)論

硅基APD探測(cè)器由于具有量子效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在激光探測(cè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際使用中，為了提高探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度，通常將硅基APD探測(cè)器置于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，但是當(dāng)激光一旦進(jìn)入探測(cè)系統(tǒng)并與探測(cè)器相互作用后，往往會(huì)引起探測(cè)器發(fā)生軟損傷甚至硬損傷，最終會(huì)造成探測(cè)器的光電性能下降，影響其在激光光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用?；谝陨戏矫娴目紤]，對(duì)激光輻照光電探測(cè)器的作用規(guī)律與機(jī)理進(jìn)行研究，具有十分重要的意義。本文對(duì)1 064 nm連續(xù)激光輻照硅基APD探測(cè)器的電學(xué)性能退化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，搭建了一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在輻照過(guò)程中監(jiān)測(cè)硅基APD探測(cè)器的暗電流和響應(yīng)度的變化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：隨著激光功率密度的增加，硅基APD探測(cè)器的實(shí)際響應(yīng)度逐漸減小，但硅基APD探測(cè)器的暗電流和測(cè)量響應(yīng)度逐漸增大，并且暗電流和測(cè)量響應(yīng)度的變化趨勢(shì)十分相近，分析原因是探測(cè)器被激光損傷后，其測(cè)試輸出電流主要為暗電流，即暗電流是造成硅基APD探測(cè)器測(cè)量響應(yīng)度變大的主要原因。通過(guò)以上分析可知，在激光輻照探測(cè)器過(guò)程中，隨著功率密度的增加，溫度以及熱應(yīng)力逐漸升高，導(dǎo)致探測(cè)器硅晶格缺陷變多，載流子壽命變短，載流子濃度升高，引起暗電流上升，并且在測(cè)試輸出電流中暗電流作用逐漸大于光電流作用，嚴(yán)重影響著光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換率，最終引起硅基APD探測(cè)器的測(cè)量響應(yīng)度逐漸變大，實(shí)際響應(yīng)度逐漸變小直至消失，對(duì)光電探測(cè)器的電學(xué)性能造成了嚴(yán)重的影響，這一結(jié)論為硅基APD探測(cè)器在實(shí)際應(yīng)用中的抗激光損傷防護(hù)提供了理論依據(jù)。