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    1,064,nm连续激光辐照硅基APD探测器电学性能退化的研究

    时间：2023-01-14 10:08:05来源：百花范文网本文已影响人

    方飞超，王頔，魏智，金光勇，张艳鹏

    （长春理工大学 物理学院，长春 130022）

    硅基APD探测器是最常见的光电器件之一，它不仅有着体积小、量子效率高、工作频谱范围大、噪声低、功耗低等特点，而且它还是一种具有内部增益的光电器件，它是利用PN结势垒区的高场强区域中载流子的雪崩倍增作用而得到的光敏二极管［1-4］。董渊等人［5］针对1 064 nm长脉冲激光辐照雪崩光电二极管（Si-APD）过程中所引起的温升变化规律进行了理论仿真与实验研究。模拟仿真结果与实验结果相一致，均表明长脉冲激光与Si-APD探测器相互作用引起的温升是由入射激光的能量密度和脉冲宽度共同决定的。Rashed A N Z博士［6］为研究APD雪崩光电二极管的使用寿命，做了高温辐射变化实验，从理论上发现增加的操作光信号波长和质子辐照密度，导致器件的量子效率和增益的降低。易瑔等人［7］建立了激光辐照CCD探测器的数学模型，针对CCD探测器的毁伤机理进行了系统的分析和研究，就激光的产生、传输、作用三个过程，对激光辐照CCD探测器的毁伤情况进行了数值分析。刘红煦等人［8］测量了硅基正-本征-负（p-i-n）象限光电探测器（QPD）在毫秒脉冲激光辐射下的输出电流。研究结果发现：当硅基QPD被设置为40 V并暴露在毫秒激光脉冲下时，输出电流的行为可以分为三个阶段：光生电流、保持电流和恢复电流。王欣［9］提出了一种具有多倍增结构的APD探测器，通过计算载流子发生碰撞离化的空间分布，研究了雪崩效应的内部过程。张兴等人［10］设计并制作了一种硅雪崩光电二极管（APD）四象限探测器芯片。设计结果表明：相对于传统的PIN四象限探测器组件，由于硅基APD探测器本身能产生雪崩增益，该组件的灵敏度提高了近两个数量级。郝世聪［11］提出了一种基于硅基APD探测器的光通信系统，此系统包含多种控制及监测单元，可以在不同的通信速率下仍然具有较高的探测灵敏度，并且开展了实验研究对所涉及的探测系统进行了性能测试。王頔［12］开展了长脉冲激光辐照硅基APD探测器的电学实验，研究发现：探测器的输出电流随着能量密度的增加而增加。陈酒等人［13］对长脉冲激光与在线硅基APD探测器相互作用过程中热学过程进行了详细的验证研究。研究发现：在外置偏压时，不仅要考虑入射激光基于在线硅基APD探测器吸收而直接形成激光热能，还考虑由电场对在线硅基APD探测器内部所做的功而间接形成焦耳热能，并且对相关现象给出了合理的解释。

    暗电流和响应度是硅基APD探测器重要的电学参数。本论文通过开展1 064 nm连续激光辐照硅基APD探测器的实验，并对探测器的暗电流和响应度的测量结果进行了分析，给出了暗电流和响应度随功率密度以及作用时间的变化规律，为激光辐照光电探测器机理研究的发展提供理论指导和实验依据。

    在光电探测元件中，光谱响应度（R）表征了光电探测器对不同波长入射光的响应，光谱响应度的值越大，探测器的灵敏度越高。其数值为测试输出电流信号与入射光功率比。实验过程中，用波长为650 nm的测试激光对硅基APD探测器进行辐照，用光功率计监测到达探测器上面的激光功率，并对其施加180 V反向偏压，电路中的电流即为测试输出电流；
    测量响应度表示未减去噪声对测试输出电流的影响所测的响应度；
    实际响应度表示减去噪声对测试输出电流的影响所测的响应度。

    暗电流是评价光电探测器性能的一个重要指标，直接影响到光电探测器的探测能力，暗电流表示在没有信号光照射下的光电探测器仍有电流通过其自身。电子输运决定了暗电流的大小。当光电探测器的暗电流数值较高时，入射光辐照到光电探测器的光敏面并产生光电流，而在这个过程中暗电流对光电流进行干扰，不能探测到实验研究所需要的信息。

    1 064 nm连续激光辐照硅基APD探测器电学性能退化研究的实验装置如图1所示。首先进行激光辐照探测器的在线实验研究，输出波长为1 064 nm的激光器的输出功率范围为0～500 W，作用时间为1～3 s可调。此激光器输出的激光通过衰减片和分光镜后，其中一束光由聚焦透镜将输出激光汇聚到探测器的光敏面上。另一束光照射到光功率计上面，并且激光参数测试装置记录入射激光参数，同时示波器可以检测电路中输出电流的变化。实验时，一方面，对硅基APD探测器分别施加0 V、30 V、60 V、120 V、180 V的不同偏压，另一方面，用不同功率密度的输出激光对硅基APD探测器分别进行1 s、2 s、3 s的不同辐照时间。激光辐照结束后，进行离线测量响应度的实验研究。用波长为650 nm的激光器发射的激光经过扩束镜，使光束变得均匀并照射到硅基APD探测器的光敏面上，用光功率计监测测试输出激光到达光敏面时的输出功率，对探测器施加180 V反向偏压后，用电流表监测电路中的测试输出电流，便得出探测器响应度的变化规律。最后进行离线测量暗电流的实验研究。用遮光罩对硅基APD探测器光敏面遮光，然后调整电源电压为180 V，在电流表上读出的示数即是所测暗电流Idark。

    图1 1 064 nm连续激光辐照硅基APD探测器电学性能退化研究的实验装置

    本次研究中采用型号为GD5210的N+_P_π_P+四层结构的“拉通型”硅基APD探测器，其结构中光敏区（N+区）的厚度为0.1 μm，雪崩区（P区）的厚度为4 μm，吸收区（π区）的厚度为50 μm，欧姆接触区（P+区）的厚度为250 μm。

    图2表示通过与1 064 nm连续激光辐照前硅基APD探测器的暗电流进行对比，分别计算得出了不同作用时间下（1 s、3 s）的1 064 nm连续激光辐照硅基APD探测器后，探测器的暗电流与功率密度的变化关系。在图中可以看出，随着激光功率密度的增大，辐照作用后，硅基APD探测器暗电流逐渐升高。

    图2（a）表征激光辐照时间为1 s时的硅基APD探测器与激光功率密度之间的变化关系。可以看出：当激光功率密度大达到8 000 W/cm2之前时，暗电流的变化较小，当功率密度达到8 000 W/cm2后，暗电流变化较大，且在功率密度为13 562 W/cm2时，暗电流达到最大值，为179.1 μA。

    图2（b）表征激光辐照时间为3 s时的硅基APD探测器暗电流与功率密度之间的变化关系。可以看出：在激光功率密度为5 400 W/cm2之前时，暗电流与激光功率密度之间具有较为线性的关系，当功率密度达到5 400 W/cm2后，硅基APD探测器暗电流随激光功率密度变化较小，并在功率密度为8 530.3 W/cm2时，暗电流达到最大值 175.8 μA。

    图2 在180 V偏置电压下不同作用时间硅基APD探测器的暗电流与功率密度的变化关系

    图3为激光作用时间分别为1 s和3 s的1 064 nm连续激光辐照180 V偏压下的硅基APD探测器结束后，其对波长为650 nm测试光的测量响应度与功率密度的变化关系。在图中可以看出，随着激光功率密度的增大，辐照作用后，硅基APD探测器的测量响应度在逐渐增大。

    图3 在180 V偏置电压下不同作用时间硅基APD探测器的650 nm测量响应度与功率密度的变化关系

    图3（a）表征了激光作用时间为1 s时的硅基APD探测器测量响应度与激光功率密度之间的变化关系。可以看出：在激光功率达到7 000 W/cm2之前时，其测量响应度随激光功率密度的变化较小，基本稳定在20.04 A/W。当激光功率达到7 000 W/cm2之后，测量响应度随激光功率密度的变化较大，在激光功率密度达到11 000 W/cm2时，测量响应度随激光功率密度变化再次变小，并且在激光功率密度达到14 000 W/cm2左右时，硅基APD探测器测量响应度达到最大值139.7 A/W。

    图3（b）表征了激光作用时间为3 s时的硅基APD探测器测量响应度与激光功率密度之间的变化关系。可以看出：在激光功率密度在5 419.28 W/cm2之前时，硅基APD测量响应度随激光功率密度变化较大。并且当激光功率密度增加到8 527.8 W/cm2时，硅基APD探测器测量响应度最大值为136.87 A/W。

    图4表示激光作用时间分别为1 s和3 s的1 064 nm连续激光辐照180 V偏压下的硅基APD探测器结束后，其对波长为650 nm测试光的实际响应度与功率密度的变化关系，经过多次测量得出，1 064 nm连续激光辐照硅基APD探测器前，其在180 V偏压下的响应度为0.27 A/W。在图中可以看出，随着激光功率密度的增大，辐照作用后，硅基APD探测器的实际响应度在逐渐减小。

    图4 在180 V偏置电压下不同作用时间硅基APD探测器的650 nm实际响应度与功率密度的变化关系

    图4（a）表征了激光作用时间为1 s时的硅基APD探测器实际响应度与激光功率密度之间的变化关系。可以看出：在激光功率为8 000 W/cm2之前，实际响应度变化较小，基本稳定在13.26 A/W。当激光功率达到8 000 W/cm2之后，实际响应度随激光功率密度变化较大，并且在功率密度为13 562.25 W/cm2左右时，硅基APD探测器实际响应度达到最小值0.000 54 A/W，此时探测器基本被完全损伤，因此对光信号没有响应。

    图4（b）表征了激光作用时间为3 s时的硅基APD探测器实际响应度与激光功率密度之间的变化关系。可以看出：激光功率密度与实际响应度之间存在线性关系，在7 620.01 W/cm2作用下，硅基APD实际响应度为1.57 A/W。并且当激光功率密度增加到8 527.8 W/cm2时，硅基APD探测器达到实际响应度最小值为0.062 A/W。

    通过以上分析可知，探测器的暗电流组成部分有表面漏电流、产生复合电流和扩散电流。探测器受到激光辐照导致其温度上升，产生的热应力超过晶格的屈服应力，会引起晶键断裂，晶格出现损伤，导致晶体材料缺陷，载流子寿命变短，探测器处于反向偏压下时，耗尽区外的载流子扩散进入耗尽区更简单，使得本征扩散电流、电离杂质增多，产生和复合电流增大。探测器温度上升还会导致探测器出现熔融等现象，导致探测器表面复合率和表面泄漏电流随着表面缺陷增大而增加，整体现象表现为暗电流逐渐增大。因此，随着功率密度增大，在探测器的测试输出电流中，暗电流作用逐渐大于光电流作用，严重影响着光电探测器的光电转换率，最终导致探测器的测量响应度逐渐增大，探测器的实际响应度逐渐减小。

    硅基APD探测器由于具有量子效率高等诸多优点，在激光探测领域得到了越来越广泛的应用。在实际使用中，为了提高探测系统的灵敏度，通常将硅基APD探测器置于光学系统的焦平面上，但是当激光一旦进入探测系统并与探测器相互作用后，往往会引起探测器发生软损伤甚至硬损伤，最终会造成探测器的光电性能下降，影响其在激光光学系统中的应用。基于以上方面的考虑，对激光辐照光电探测器的作用规律与机理进行研究，具有十分重要的意义。本文对1 064 nm连续激光辐照硅基APD探测器的电学性能退化进行了实验研究，搭建了一套实验系统，并在辐照过程中监测硅基APD探测器的暗电流和响应度的变化。通过实验研究发现：随着激光功率密度的增加，硅基APD探测器的实际响应度逐渐减小，但硅基APD探测器的暗电流和测量响应度逐渐增大，并且暗电流和测量响应度的变化趋势十分相近，分析原因是探测器被激光损伤后，其测试输出电流主要为暗电流，即暗电流是造成硅基APD探测器测量响应度变大的主要原因。通过以上分析可知，在激光辐照探测器过程中，随着功率密度的增加，温度以及热应力逐渐升高，导致探测器硅晶格缺陷变多，载流子寿命变短，载流子浓度升高，引起暗电流上升，并且在测试输出电流中暗电流作用逐渐大于光电流作用，严重影响着光电探测器的光电转换率，最终引起硅基APD探测器的测量响应度逐渐变大，实际响应度逐渐变小直至消失，对光电探测器的电学性能造成了严重的影响，这一结论为硅基APD探测器在实际应用中的抗激光损伤防护提供了理论依据。

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