1 064 nm連續激光輻照對硅基PIN探測器光生載流子影響的實驗研究

麻健雄，魏智，王頔，金光勇，梁超

（長春理工大學 物理學院，長春 130022）

硅基PIN光電探測器是一種高敏感度的電子器件，它具有靈敏度高、體積小、成本低等優點［1-2］，廣泛應用于光電探測領域。在工業上，硅基PIN探測器用于光電在線檢測。在民用領域，硅基PIN探測器作為無線光通信系統中的光接收器件，其主要作用是將攜帶信息的光信號還原成電信號。特別是激光輻照硅基PIN探測器輸出電流特性，國內外學者都有研究。1990年，Steve E W等人［3］對脈寬為10 ns的激光輻照致使光電探測器電學性能下降和表面損傷形貌進行了較為深入的研究，發現器件電學性能下降的原因是耗盡層產生的缺陷所致。1992年，Huang A L等人［4］通過觀察不同ns脈沖激光輻照硅基PIN二極管的破壞形態和電氣性能，發現激光輻照前后的外置偏壓發生重大變化。2005年，國防科學技術大學的馬麗芹［5］對半導體光電探測器中載流子輸運過程進行研究，發現激光輻照探測器出現新的非線性現象為混沌現象和零壓輸出現象。同年，美國空軍研究實驗室的Chen J K等人［6］對超短脈沖對半導體器件的損傷進行了數值模擬，發現載流子產生的關鍵因素是單光子吸收和俄歇復合。2012年，電子工程學院的豆賢安［7］通過實驗觀察到飛秒激光輻照硅PIN光電探測器時，瞬態響應信號相繼出現3個不同的相位，分析出其持續時間由載流子擴散速度決定的結論。2018年，長春理工大學的王頔［8］對長脈沖激光輻照硅基APD光電探測器進行了研究，發現長脈沖激光輻照硅基APD光電探測器的輸出電流分為三個階段。2019年，長春理工大學的陳酒［9］對長脈沖激光與硅基APD探測器相互作用進行研究，通過理論和仿真分析了長脈沖激光與零偏電壓和外置偏壓不同條件下硅基APD熱學作用之間的關系，驗證了熱學模型的合理性。同年，西安理工大學的劉昭輝［10］對半導體激光器和光電探測器響應度特性進行研究，通過建立等效電路模型，研究了溫度對激光器輸入輸出特性的影響和入射光強對探測器電壓電流特性的影響。2021年，長春理工大學的劉紅煦［11］對脈沖致QPD損傷面積及形貌進行研究，測量了硅基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。

通過對1 064 nm連續激光輻照對硅基PIN探測器光生載流子影響的實驗研究，分析了不同外置偏壓、不同功率密度、不同輻照時間下載流子的變化，該研究內容對于提高硅基PIN探測器在激光應用領域的性能具有重要意義。

1 實驗

1 064 nm連續激光輻照硅基PIN探測器的實驗裝置如圖1所示。建立由激光發射及監測和輸出電流精確采集的實驗系統。首先是激光發射及監測系統：實驗中采用1 064 nm連續激光系統，激光空間分布為高斯分布。實驗所用PIN探測器樣品為GT102型硅基PIN探測器，響應波長為400～1 100 nm。1 064 nm連續激光輻照硅基PIN探測器的實驗中，讓這束連續激光通過衰減片和分光鏡分成兩束激光，一束通過聚焦透鏡入射到硅基PIN探測器表面，一束入射到功率計上，并通過功率計對入射激光功率進行實時檢測。其后輸出激光經聚焦透鏡聚焦后輻照在硅基PIN探測器上，光斑直徑為0.5 mm，最后通過調節光束路徑上的衰減片來調節入射激光的注入量，利用輸出電流精確采集系統中的示波器來記錄輸出電流。

圖1 1 064 nm連續激光輻照硅基PIN光電探測器的實驗裝置

2 結果分析

圖2探測器輸出電流隨時間變化關系圖，此時激光功率密度為6 087.460 W/cm2，外置偏壓為20 V，激光輻照時間為1 s。可以看出，激光輻照硅基PIN探測器的過程可分為三個階段：光生階段、過渡階段和恢復階段。激光輻照硅基PIN探測器時，當入射光子能量大于禁帶寬度時，大部分光子會在內建電場被吸收產生電子-空穴對，并在電場的作用下做定向的漂移運動，而在內建電場的P+、N+區勢壘外，光生載流子只能做無規則的擴散運動，P+區的少子電子先擴散到I區邊界，然后在內建電場的作用下漂移到N+區，在N+區勢壘外繼續做擴散運動。通過外置電壓與擴散、漂移電流的相互作用，形成輸出電流，完成光信號向電信號的轉換。此時輸出電流進入光生電流階段產生大量的光生載流子，之后輸出電流進入過渡階段，勢壘開始緩慢消失，輸出電流形成一個近似平臺的輸出電流，此時在硅基PIN探測器內部，載流子的漂移運動和擴散運動同時存在，只是擴散運動相對較少，可以忽略不計。最后隨著激光注入能量的停止，勢壘開始重新建立，此時輸出電流進入恢復階段，硅基PIN探測器性能開始緩慢恢復。

圖2 1 064 nm連續激光輻照硅基PIN探測器輸出電流隨時間變化關系圖

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

圖3 外置偏壓為20 V，不同輻照時間，不同功率的激光輻照硅基PIN探測器輸出電流隨時間的變化關系

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

圖4 外置偏壓為30 V，不同輻照時間，不同功率的激光輻照硅基PIN探測器輸出電流隨時間的變化關系

圖5為外置偏壓為40 V，不同輻照時間，不同功率的激光輻照硅基PIN探測器輸出電流隨時間的變化關系。

圖5 外置偏壓為40 V，不同輻照時間，不同功率的激光輻照硅基PIN探測器輸出電流隨時間的變化關系

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

由圖3、圖4、圖5可以看出硅基PIN探測器在外置偏壓作用下，輸出電流分為三個階段：光生電流階段、過渡階段和恢復階段。由圖3（a）、圖4（a）和圖5（a）可以看出在光生階段產生輸出電流，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探測器時，硅基PIN探測器內產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，單位時間內輸出到外界的載流子數量不同，從而導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生的輸出電流隨電壓的增大而增大，此時勢壘逐漸消失，會形成隨電壓增大而增大的近似平臺的輸出電流。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探測器進入恢復階段及散熱階段，此時勢壘重新建立，硅基PIN探測器的特性開始緩慢恢復。

3 結論

隨著光電子技術和光電對抗技術的發展，激光與光電探測器相互作用的相關研究，特別是強激光對光電探測器中載流子的影響備受人們重視。當光電探測器受到高于探測器飽和閾值而低于破壞閾值的中等功率的激光輻照時，激光可能會對光電探測器內部載流子造成影響。為了研究連續激光對硅基PIN探測器中光生載流子的影響機理，建立了一套實驗系統，研究了硅基PIN探測器在不同偏置電壓、不同激光功率、不同作用時間條件下，其輸出電流的變化規律。選擇合適的連續激光參數輻照硅基PIN探測器，在輻照的過程中使用示波器實時監測硅基PIN探測器的輸出電流，對輸出電流變化進行分析，得出1 064 nm連續激光對硅基PIN探測器中光生載流子的影響機理。結果表明：硅基PIN探測器在外置偏壓作用下，輸出電流分為三個階段：光生電流階段、過渡階段和恢復階段；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探測器時，硅基PIN探測器內產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，單位時間內輸出到外界的載流子數量增大，從而導致輸出電流隨外界電壓的增大而增大；在過渡階段，輸出電流隨電壓的增大而增大，這是由于在光生階段產生的輸出電流隨電壓的增大而增大，此時勢壘逐漸消失，輸出電流會形成隨電壓增大而增大的平臺輸出電流。隨著激光注入量的停止，硅基PIN探測器進入恢復階段及散熱階段，此時勢壘重新建立，硅基PIN探測器特性開始緩慢恢復。這些結論對提高硅基PIN探測器在激光應用領域的性能具有重要意義。