麻健雄，魏智，王頔，金光勇，梁超

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

硅基PIN光電探測(cè)器是一種高敏感度的電子器件，它具有靈敏度高、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)［1-2］，廣泛應(yīng)用于光電探測(cè)領(lǐng)域。在工業(yè)上，硅基PIN探測(cè)器用于光電在線檢測(cè)。在民用領(lǐng)域，硅基PIN探測(cè)器作為無(wú)線光通信系統(tǒng)中的光接收器件，其主要作用是將攜帶信息的光信號(hào)還原成電信號(hào)。特別是激光輻照硅基PIN探測(cè)器輸出電流特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都有研究。1990年，Steve E W等人［3］對(duì)脈寬為10 ns的激光輻照致使光電探測(cè)器電學(xué)性能下降和表面損傷形貌進(jìn)行了較為深入的研究，發(fā)現(xiàn)器件電學(xué)性能下降的原因是耗盡層產(chǎn)生的缺陷所致。1992年，Huang A L等人［4］通過(guò)觀察不同ns脈沖激光輻照硅基PIN二極管的破壞形態(tài)和電氣性能，發(fā)現(xiàn)激光輻照前后的外置偏壓發(fā)生重大變化。2005年，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的馬麗芹［5］對(duì)半導(dǎo)體光電探測(cè)器中載流子輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)激光輻照探測(cè)器出現(xiàn)新的非線性現(xiàn)象為混沌現(xiàn)象和零壓輸出現(xiàn)象。同年，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的Chen J K等人［6］對(duì)超短脈沖對(duì)半導(dǎo)體器件的損傷進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)載流子產(chǎn)生的關(guān)鍵因素是單光子吸收和俄歇復(fù)合。2012年，電子工程學(xué)院的豆賢安［7］通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到飛秒激光輻照硅PIN光電探測(cè)器時(shí)，瞬態(tài)響應(yīng)信號(hào)相繼出現(xiàn)3個(gè)不同的相位，分析出其持續(xù)時(shí)間由載流子擴(kuò)散速度決定的結(jié)論。2018年，長(zhǎng)春理工大學(xué)的王頔［8］對(duì)長(zhǎng)脈沖激光輻照硅基APD光電探測(cè)器進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)脈沖激光輻照硅基APD光電探測(cè)器的輸出電流分為三個(gè)階段。2019年，長(zhǎng)春理工大學(xué)的陳酒［9］對(duì)長(zhǎng)脈沖激光與硅基APD探測(cè)器相互作用進(jìn)行研究，通過(guò)理論和仿真分析了長(zhǎng)脈沖激光與零偏電壓和外置偏壓不同條件下硅基APD熱學(xué)作用之間的關(guān)系，驗(yàn)證了熱學(xué)模型的合理性。同年，西安理工大學(xué)的劉昭輝［10］對(duì)半導(dǎo)體激光器和光電探測(cè)器響應(yīng)度特性進(jìn)行研究，通過(guò)建立等效電路模型，研究了溫度對(duì)激光器輸入輸出特性的影響和入射光強(qiáng)對(duì)探測(cè)器電壓電流特性的影響。2021年，長(zhǎng)春理工大學(xué)的劉紅煦［11］對(duì)脈沖致QPD損傷面積及形貌進(jìn)行研究，測(cè)量了硅基QPD單一象限的損傷面積、形貌隨激光能量密度和脈寬的變化。結(jié)果表明：損傷面積隨激光能量密度的增加而增加、隨脈寬的增加而降低。

通過(guò)對(duì)1 064 nm連續(xù)激光輻照對(duì)硅基PIN探測(cè)器光生載流子影響的實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同外置偏壓、不同功率密度、不同輻照時(shí)間下載流子的變化，該研究?jī)?nèi)容對(duì)于提高硅基PIN探測(cè)器在激光應(yīng)用領(lǐng)域的性能具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1 064 nm連續(xù)激光輻照硅基PIN探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。建立由激光發(fā)射及監(jiān)測(cè)和輸出電流精確采集的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。首先是激光發(fā)射及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)中采用1 064 nm連續(xù)激光系統(tǒng)，激光空間分布為高斯分布。實(shí)驗(yàn)所用PIN探測(cè)器樣品為GT102型硅基PIN探測(cè)器，響應(yīng)波長(zhǎng)為400～1 100 nm。1 064 nm連續(xù)激光輻照硅基PIN探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)中，讓這束連續(xù)激光通過(guò)衰減片和分光鏡分成兩束激光，一束通過(guò)聚焦透鏡入射到硅基PIN探測(cè)器表面，一束入射到功率計(jì)上，并通過(guò)功率計(jì)對(duì)入射激光功率進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。其后輸出激光經(jīng)聚焦透鏡聚焦后輻照在硅基PIN探測(cè)器上，光斑直徑為0.5 mm，最后通過(guò)調(diào)節(jié)光束路徑上的衰減片來(lái)調(diào)節(jié)入射激光的注入量，利用輸出電流精確采集系統(tǒng)中的示波器來(lái)記錄輸出電流。

圖1 1 064 nm連續(xù)激光輻照硅基PIN光電探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)裝置

2 結(jié)果分析

圖2探測(cè)器輸出電流隨時(shí)間變化關(guān)系圖，此時(shí)激光功率密度為6 087.460 W/cm2，外置偏壓為20 V，激光輻照時(shí)間為1 s?？梢钥闯?，激光輻照硅基PIN探測(cè)器的過(guò)程可分為三個(gè)階段：光生階段、過(guò)渡階段和恢復(fù)階段。激光輻照硅基PIN探測(cè)器時(shí)，當(dāng)入射光子能量大于禁帶寬度時(shí)，大部分光子會(huì)在內(nèi)建電場(chǎng)被吸收產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，并在電場(chǎng)的作用下做定向的漂移運(yùn)動(dòng)，而在內(nèi)建電場(chǎng)的P+、N+區(qū)勢(shì)壘外，光生載流子只能做無(wú)規(guī)則的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，P+區(qū)的少子電子先擴(kuò)散到I區(qū)邊界，然后在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下漂移到N+區(qū)，在N+區(qū)勢(shì)壘外繼續(xù)做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。通過(guò)外置電壓與擴(kuò)散、漂移電流的相互作用，形成輸出電流，完成光信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。此時(shí)輸出電流進(jìn)入光生電流階段產(chǎn)生大量的光生載流子，之后輸出電流進(jìn)入過(guò)渡階段，勢(shì)壘開始緩慢消失，輸出電流形成一個(gè)近似平臺(tái)的輸出電流，此時(shí)在硅基PIN探測(cè)器內(nèi)部，載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)同時(shí)存在，只是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相對(duì)較少，可以忽略不計(jì)。最后隨著激光注入能量的停止，勢(shì)壘開始重新建立，此時(shí)輸出電流進(jìn)入恢復(fù)階段，硅基PIN探測(cè)器性能開始緩慢恢復(fù)。

圖2 1 064 nm連續(xù)激光輻照硅基PIN探測(cè)器輸出電流隨時(shí)間變化關(guān)系圖

圖3為外置偏壓為20 V，不同輻照時(shí)間，不同功率的激光輻照硅基PIN探測(cè)器輸出電流隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖3（a）可以看出，激光輻照硅基PIN探測(cè)器1 s時(shí)，激光功率為5 047.609 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為21 mA，平臺(tái)輸出電流為19.9 mA；激光功率為5 394.226 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為21 mA，平臺(tái)輸出電流為19.9 mA；激光功率為5 762.506 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為21 mA，平臺(tái)輸出電流為19.9 mA；激光功率為6 087.460 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為21 mA，平臺(tái)輸出電流為19.9 mA。由圖3（b）可以看出，激光輻照硅基PIN探測(cè)器3 s時(shí)，激光功率為5 047.609 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為21 mA，平臺(tái)輸出電流為19.9 mA；激光功率為5 394.226 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為21 mA，平臺(tái)輸出電流為19.9 mA；激光功率為5 762.506 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為21 mA，平臺(tái)輸出電流為19.9 mA；激光功率為6 087.460 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為21 mA，平臺(tái)輸出電流為19.9 mA。

圖3 外置偏壓為20 V，不同輻照時(shí)間，不同功率的激光輻照硅基PIN探測(cè)器輸出電流隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖4為外置偏壓為30 V，不同輻照時(shí)間，不同功率的激光輻照硅基PIN探測(cè)器輸出電流隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖4（a）可以看出，激光輻照硅基PIN探測(cè)器1 s時(shí)，激光功率為5 047.609 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為32 mA，平臺(tái)輸出電流為29.9 mA；激光功率為5 394.226 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為32 mA，平臺(tái)輸出電流為29.9 mA；激光功率為5 762.506 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為32 mA，平臺(tái)輸出電流為29.9 mA；激光功率為6 087.460 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為32 mA，平臺(tái)輸出電流為29.9 mA。由圖4（b）可以看出，激光輻照硅基PIN探測(cè)器1 s時(shí)，激光功率為5 047.609 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為32 mA，平臺(tái)輸出電流為29.5 mA；激光功率為5 394.226 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為32 mA，平臺(tái)輸出電流為29.5 mA；激光功率為5 762.506 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為32 mA，平臺(tái)輸出電流為29.5 mA；激光功率為6 087.460 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為32 mA，平臺(tái)輸出電流為29.5 mA。

圖4 外置偏壓為30 V，不同輻照時(shí)間，不同功率的激光輻照硅基PIN探測(cè)器輸出電流隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖5為外置偏壓為40 V，不同輻照時(shí)間，不同功率的激光輻照硅基PIN探測(cè)器輸出電流隨時(shí)間的變化關(guān)系。

圖5 外置偏壓為40 V，不同輻照時(shí)間，不同功率的激光輻照硅基PIN探測(cè)器輸出電流隨時(shí)間的變化關(guān)系

由圖5（a）可以看出，激光輻照硅基PIN探測(cè)器1 s時(shí)，激光功率為5 047.609 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為42 mA，平臺(tái)輸出電流為40 mA；激光功率為5 394.226 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為42 mA，平臺(tái)輸出電流為40 mA；激光功率為5 762.506 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為42 mA，平臺(tái)輸出電流為40 mA；激光功率為6 087.460 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為42 mA，平臺(tái)輸出電流為40 mA。由圖5（b）可以看出，激光輻照硅基PIN探測(cè)器3 s時(shí)，激光功率為5 047.609 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為42 mA，平臺(tái)輸出電流為40 mA；激光功率為5 394.226 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為42 mA，平臺(tái)輸出電流為40 mA；激光功率為5 762.506 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為42 mA，平臺(tái)輸出電流為40 mA；激光功率為6 087.460 W/cm2的激光輻照硅基PIN探測(cè)器的峰值輸出電流為42 mA，平臺(tái)輸出電流為40 mA。

由圖3、圖4、圖5可以看出硅基PIN探測(cè)器在外置偏壓作用下，輸出電流分為三個(gè)階段：光生電流階段、過(guò)渡階段和恢復(fù)階段。由圖3（a）、圖4（a）和圖5（a）可以看出在光生階段產(chǎn)生輸出電流，輸出電流隨著外置偏壓的增大而增大，這是由于相同功率密度的激光輻照硅基PIN探測(cè)器時(shí)，硅基PIN探測(cè)器內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子是等量的，但隨著外置偏壓的增大載流子的漂移速度增大，單位時(shí)間內(nèi)輸出到外界的載流子數(shù)量不同，從而導(dǎo)致輸出電流隨外界電壓的增大而增大；由圖 3（b）、圖 4（b）和圖 5（b）可以看出在過(guò)渡階段，輸出電流隨電壓的增大而增大，這是由于在光生階段產(chǎn)生的輸出電流隨電壓的增大而增大，此時(shí)勢(shì)壘逐漸消失，會(huì)形成隨電壓增大而增大的近似平臺(tái)的輸出電流。由圖3（a）和圖3（b）可以看出，隨著激光注入量的停止，硅基PIN探測(cè)器進(jìn)入恢復(fù)階段及散熱階段，此時(shí)勢(shì)壘重新建立，硅基PIN探測(cè)器的特性開始緩慢恢復(fù)。

3 結(jié)論

隨著光電子技術(shù)和光電對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展，激光與光電探測(cè)器相互作用的相關(guān)研究，特別是強(qiáng)激光對(duì)光電探測(cè)器中載流子的影響備受人們重視。當(dāng)光電探測(cè)器受到高于探測(cè)器飽和閾值而低于破壞閾值的中等功率的激光輻照時(shí)，激光可能會(huì)對(duì)光電探測(cè)器內(nèi)部載流子造成影響。為了研究連續(xù)激光對(duì)硅基PIN探測(cè)器中光生載流子的影響機(jī)理，建立了一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了硅基PIN探測(cè)器在不同偏置電壓、不同激光功率、不同作用時(shí)間條件下，其輸出電流的變化規(guī)律。選擇合適的連續(xù)激光參數(shù)輻照硅基PIN探測(cè)器，在輻照的過(guò)程中使用示波器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)硅基PIN探測(cè)器的輸出電流，對(duì)輸出電流變化進(jìn)行分析，得出1 064 nm連續(xù)激光對(duì)硅基PIN探測(cè)器中光生載流子的影響機(jī)理。結(jié)果表明：硅基PIN探測(cè)器在外置偏壓作用下，輸出電流分為三個(gè)階段：光生電流階段、過(guò)渡階段和恢復(fù)階段；在光生電流階段，輸出電流隨著外置偏壓的增大而增大，這是由于相同功率密度的激光輻照硅基PIN探測(cè)器時(shí)，硅基PIN探測(cè)器內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子是等量的，但隨著外置偏壓的增大，載流子的漂移速度增大，單位時(shí)間內(nèi)輸出到外界的載流子數(shù)量增大，從而導(dǎo)致輸出電流隨外界電壓的增大而增大；在過(guò)渡階段，輸出電流隨電壓的增大而增大，這是由于在光生階段產(chǎn)生的輸出電流隨電壓的增大而增大，此時(shí)勢(shì)壘逐漸消失，輸出電流會(huì)形成隨電壓增大而增大的平臺(tái)輸出電流。隨著激光注入量的停止，硅基PIN探測(cè)器進(jìn)入恢復(fù)階段及散熱階段，此時(shí)勢(shì)壘重新建立，硅基PIN探測(cè)器特性開始緩慢恢復(fù)。這些結(jié)論對(duì)提高硅基PIN探測(cè)器在激光應(yīng)用領(lǐng)域的性能具有重要意義。