1 064 nm連續激光輻照硅基PIN探測器輸出電流恢復時間的實驗研究

梁超，魏智，金光勇，王頔，麻健雄

（長春理工大學 物理學院，長春 130022）

光電探測器是氣象衛星、激光測距、激光通信上最常用的傳感器，具有量子效率高和響應速度快等特點，對醫療和經濟具有重大影響，適用于各種不同溫度條件（從低溫77 K至常溫300 K左右）和各種波長范圍（從微波、遠紅外、紅外、可見光一直到紫外）的光電器件［1-4］。與其他光學器件相比，光電探測器在其激光輻照時，更容易受到損壞，當光敏面有輕微褶皺、凸起時，輸出電流可以恢復，光電探測器功能性退化或暫時性失效；光敏面被熔融甚至被擊穿時，其輸出電流不能恢復，光電探測器光電性能永久性損傷甚至失效。因此，國內外學者對激光輻照硅基PIN光電探測器的損傷機理進行了大量的實驗研究。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驗研究，得到微觀損傷光響應的退化閾值。2005年，Chen J K等人［6］研究超短脈沖激光對半導體器件的損傷進行了數值模擬，并計算載流子的密度、晶格參數等，得到單光子吸收和俄歇復合是影響電子空穴載體的兩個關鍵因素。2009年，徐立君等人［7］對短路電流進行比較，觀察實驗過程中激光輻照光電探測器電流的變化。2015年，周弘毅［8］基于半導體物理基本理論，對硅基PIN光電探測器的電學性能和參數進行研究，提出光生載流子的收集的作用，通過對暗電流的理論與實驗數據分析，提出光電探測器的電場分布，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］對硅基PIN光電探測器的電場隔離結構進行了研究，分析得到電場隔離結構主要降低的是與周長有關的暗電流。2021年，劉紅煦等人［10］對長脈沖輻照硅基QPD損傷面積和形貌進行研究。測量在不同的脈寬、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。結果表明：在毫秒脈沖激光作用下，硅基QPD產生表面剝落、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］對納秒激光輻照硅基PIN光電探測器的瞬態響應信號進行實驗研究，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，測量了該二極管在不同能量密度輻照下的單脈沖響應特性。結果表明：隨著入射激光能量密度變大，響應信號下降沿的時間逐漸變大，并出現展寬現象，二極管的瞬態響應特性發生了退化，并且器件在加載反向電壓信號回復速度呈兩相變化，兩階段下降沿的數據均有絕對增幅和相對增幅，比較發現第一段下降沿起著信號展寬的主導作用。上述研究工作者大多對光電探測器損傷機制給出常見的現象分析，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光電探測器過程中多種現象之間的關聯性。但對于連續激光輻照硅基PIN光電探測器的研究較少。因此，針對1 064 nm連續激光輻照硅基PIN光電探測器電流恢復時間的實驗展開研究，對不同外置偏壓條件下，激光輻照硅基PIN光電探測器的輸出電流的變化規律，給出相應的影響機制，對進一步提高硅基PIN光電探測器抗激光損傷能力具有十分重要的意義。

本實驗所用PIN型號為GT102，該器件在反向偏置電壓條件下工作。剖面結構圖如圖1所示。其多層結構的各層幾何參數為：P+區厚度1.5 μm；I區厚度 300 μm；N+區厚度 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，響應度為0.2 A/W，峰值波長在950 nm左右，光譜響應范圍在400～1 100 nm，光敏面直徑1 mm。其中I區為高阻抗區，電壓基本都落在I區［12］。

圖1 硅基PIN光電探測器剖面結構圖

1 實驗建立

1 064 nm連續激光輻照硅基PIN光電探測器的輸出電流恢復時間實驗系統由連續激光、衰減片、分光鏡、功率計、聚焦透鏡、電學參數測量儀和示波器組成，其中衰減片、分光鏡、功率計、聚焦透鏡組成激光功率測量系統。示波器和電學參數測量儀組成在線電流測量系統，監測其輸出電流。本實驗采用的連續激光器的型號為（Yic-500-ac），波長為 1 064 nm，輸出功率范圍為1～50 W，激光空間分布為高斯分布。實驗中，輸出激光經聚焦透鏡聚焦后輻照在硅基PIN光電探測器上，激光半徑為200 μm，光電探測器加載在固定偏壓下，利用示波器在線監測光電探測器的光響應信號，從而定量分析連續激光輻照硅基PIN光電探測器的輸出電流恢復時間的變化規律。實驗裝置如圖2所示。

圖2 1 064 nm連續激光輻照硅基PIN光電探測器輸出電流恢復時間實驗裝置圖

2 實驗結果與討論

在實驗過程中，利用示波器實時監測硅基PIN光電探測器輸出電流恢復時間的變化規律，硅基PIN光電探測器受連續激光輻照的輸出電流隨功率密度、外置偏壓、作用時間如圖3所示。

從圖3（a）、圖3（b）中可以看出，當連續激光作用時間相同，外置電壓相同時，隨著功率密度增加，恢復時間也增加。這是因為，功率密度的增加導致光電探測器的溫度上升，且連續激光輻照硅基PIN光電探測器時，就會破壞其內部平衡態，產生一定數目的非平衡載流子，其溫度越高，載流子無序化運動越快，激光輻照結束后，其勢壘恢復所需要的時間越長，恢復時間隨著功率密度的增加而增加。恢復成熱平衡態條件所需時間越長。

圖3 不同外置偏壓、不同功率密度的輸出電流隨時間變化圖

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

圖4 不同外置偏壓、相同作用時間的輸出電流恢復時間隨功率密度變化圖

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

3 結論

本文對1 064 nm連續激光輻照硅基PIN光電探測器的輸出電流恢復時間開展了實驗研究，實驗過程中獲得了不同的功率密度、不同外置電壓、不同作用時間條件下輸出電流恢復時間的變化規律。得出恢復時間的變化基本不受電壓的影響。外置電壓一定，作用時間一定，恢復時間隨著功率密度的增加而增加。結果表明：不同的外置偏壓對恢復時間的變化沒有影響；隨著功率密度的增加，PIN光電探測器表面溫度變高，產生一定數目非平衡載流子，溫度越高，內部非平衡載流子無序化運動越快，當連續激光輻照結束后，其勢壘重新建立時間變長，恢復成平衡態所需時間變長，即恢復時間變長。本文的研究工作可為改善硅基PIN光電探測器的抗激光加固措施提供一定的理論依據和實驗參考，以延長光電探測器的使用壽命，并對提高PIN光電探測器在激光應用領域的性能具有重要意義。