方飛超，王頔，魏智，金光勇，張艷鵬

（長春理工大學(xué) 物理學(xué)院，長春 130022）

硅基APD探測器是最常見的光電器件之一，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，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)勢壘區(qū)的高場強區(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1 064 nm長脈沖激光輻照雪崩光電二極管（Si-APD）過程中所引起的溫升變化規(guī)律進行了理論仿真與實驗研究。模擬仿真結(jié)果與實驗結(jié)果相一致，均表明長脈沖激光與Si-APD探測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驗，從理論上發(fā)現(xiàn)增加的操作光信號波長和質(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探測器的數(shù)學(xué)模型，針對CCD探測器的毀傷機理進行了系統(tǒng)的分析和研究，就激光的產(chǎn)生、傳輸、作用三個過程，對激光輻照CCD探測器的毀傷情況進行了數(shù)值分析。劉紅煦等人［8］測量了硅基正-本征-負(fù)（p-i-n）象限光電探測器（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，輸出電流的行為可以分為三個階段：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探測器，通過計算載流子發(fā)生碰撞離化的空間分布，研究了雪崩效應(yīng)的內(nèi)部過程。張興等人［10］設(shè)計并制作了一種硅雪崩光電二極管（APD）四象限探測器芯片。設(shè)計結(jié)果表明：相對于傳統(tǒng)的PIN四象限探測器組件，由于硅基APD探測器本身能產(chǎn)生雪崩增益，該組件的靈敏度提高了近兩個數(shù)量級。郝世聰［11］提出了一種基于硅基APD探測器的光通信系統(tǒng)，此系統(tǒng)包含多種控制及監(jiān)測單元，可以在不同的通信速率下仍然具有較高的探測靈敏度，并且開展了實驗研究對所涉及的探測系統(tǒng)進行了性能測試。王頔［12］開展了長脈沖激光輻照硅基APD探測器的電學(xué)實驗，研究發(fā)現(xiàn)：探測器的輸出電流隨著能量密度的增加而增加。陳酒等人［13］對長脈沖激光與在線硅基APD探測器相互作用過程中熱學(xué)過程進行了詳細(xì)的驗證研究。研究發(fā)現(xiàn)：在外置偏壓時，不僅要考慮入射激光基于在線硅基APD探測器吸收而直接形成激光熱能，還考慮由電場對在線硅基APD探測器內(nèi)部所做的功而間接形成焦耳熱能，并且對相關(guān)現(xiàn)象給出了合理的解釋。

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

1 實驗

在光電探測元件中，光譜響應(yīng)度（R）表征了光電探測器對不同波長入射光的響應(yīng)，光譜響應(yīng)度的值越大，探測器的靈敏度越高。其數(shù)值為測試輸出電流信號與入射光功率比。實驗過程中，用波長為650 nm的測試激光對硅基APD探測器進行輻照，用光功率計監(jiān)測到達(dá)探測器上面的激光功率，并對其施加180 V反向偏壓，電路中的電流即為測試輸出電流；測量響應(yīng)度表示未減去噪聲對測試輸出電流的影響所測的響應(yīng)度；實際響應(yīng)度表示減去噪聲對測試輸出電流的影響所測的響應(yīng)度。

暗電流是評價光電探測器性能的一個重要指標(biāo)，直接影響到光電探測器的探測能力，暗電流表示在沒有信號光照射下的光電探測器仍有電流通過其自身。電子輸運決定了暗電流的大小。當(dāng)光電探測器的暗電流數(shù)值較高時，入射光輻照到光電探測器的光敏面并產(chǎn)生光電流，而在這個過程中暗電流對光電流進行干擾，不能探測到實驗研究所需要的信息。

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

圖1 1 064 nm連續(xù)激光輻照硅基APD探測器電學(xué)性能退化研究的實驗裝置

本次研究中采用型號為GD5210的N+_P_π_P+四層結(jié)構(gòu)的“拉通型”硅基APD探測器，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表示通過與1 064 nm連續(xù)激光輻照前硅基APD探測器的暗電流進行對比，分別計算得出了不同作用時間下（1 s、3 s）的1 064 nm連續(xù)激光輻照硅基APD探測器后，探測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探測器暗電流逐漸升高。

圖2（a）表征激光輻照時間為1 s時的硅基APD探測器與激光功率密度之間的變化關(guān)系?？梢钥闯觯寒?dāng)激光功率密度大達(dá)到8 000 W/cm2之前時，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，暗電流達(dá)到最大值，為179.1 μA。

圖2（b）表征激光輻照時間為3 s時的硅基APD探測器暗電流與功率密度之間的變化關(guān)系?？梢钥闯觯涸诩す夤β拭芏葹? 400 W/cm2之前時，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，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間硅基APD探測器的暗電流與功率密度的變化關(guān)系

圖3為激光作用時間分別為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探測器結(jié)束后，其對波長為650 nm測試光的測量響應(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探測器的測量響應(yīng)度在逐漸增大。

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

圖3（a）表征了激光作用時間為1 s時的硅基APD探測器測量響應(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，其測量響應(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，測量響應(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，硅基APD探測器測量響應(yīng)度達(dá)到最大值139.7 A/W。

圖3（b）表征了激光作用時間為3 s時的硅基APD探測器測量響應(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，硅基APD測量響應(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，硅基APD探測器測量響應(yīng)度最大值為136.87 A/W。

圖4表示激光作用時間分別為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探測器結(jié)束后，其對波長為650 nm測試光的實際響應(yīng)度與功率密度的變化關(guān)系，經(jīng)過多次測量得出，1 064 nm連續(xù)激光輻照硅基APD探測器前，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探測器的實際響應(yīng)度在逐漸減小。

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

圖4（a）表征了激光作用時間為1 s時的硅基APD探測器實際響應(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，硅基APD探測器實際響應(yīng)度達(dá)到最小值0.000 54 A/W，此時探測器基本被完全損傷，因此對光信號沒有響應(yīng)。

圖4（b）表征了激光作用時間為3 s時的硅基APD探測器實際響應(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，硅基APD探測器達(dá)到實際響應(yīng)度最小值為0.062 A/W。

通過以上分析可知，探測器的暗電流組成部分有表面漏電流、產(chǎn)生復(fù)合電流和擴散電流。探測器受到激光輻照導(dǎo)致其溫度上升，產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過晶格的屈服應(yīng)力，會引起晶鍵斷裂，晶格出現(xiàn)損傷，導(dǎo)致晶體材料缺陷，載流子壽命變短，探測器處于反向偏壓下時，耗盡區(qū)外的載流子擴散進入耗盡區(qū)更簡單，使得本征擴散電流、電離雜質(zhì)增多，產(chǎn)生和復(fù)合電流增大。探測器溫度上升還會導(dǎo)致探測器出現(xiàn)熔融等現(xiàn)象，導(dǎo)致探測器表面復(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，在探測器的測試輸出電流中，暗電流作用逐漸大于光電流作用，嚴(yán)重影響著光電探測器的光電轉(zhuǎn)換率，最終導(dǎo)致探測器的測量響應(yīng)度逐漸增大，探測器的實際響應(yīng)度逐漸減小。

3 結(jié)論

硅基APD探測器由于具有量子效率高等諸多優(yōu)點，在激光探測領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在實際使用中，為了提高探測系統(tǒng)的靈敏度，通常將硅基APD探測器置于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，但是當(dāng)激光一旦進入探測系統(tǒng)并與探測器相互作用后，往往會引起探測器發(fā)生軟損傷甚至硬損傷，最終會造成探測器的光電性能下降，影響其在激光光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用。基于以上方面的考慮，對激光輻照光電探測器的作用規(guī)律與機理進行研究，具有十分重要的意義。本文對1 064 nm連續(xù)激光輻照硅基APD探測器的電學(xué)性能退化進行了實驗研究，搭建了一套實驗系統(tǒng)，并在輻照過程中監(jiān)測硅基APD探測器的暗電流和響應(yīng)度的變化。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)：隨著激光功率密度的增加，硅基APD探測器的實際響應(yīng)度逐漸減小，但硅基APD探測器的暗電流和測量響應(yīng)度逐漸增大，并且暗電流和測量響應(yīng)度的變化趨勢十分相近，分析原因是探測器被激光損傷后，其測試輸出電流主要為暗電流，即暗電流是造成硅基APD探測器測量響應(yīng)度變大的主要原因。通過以上分析可知，在激光輻照探測器過程中，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)重影響著光電探測器的光電轉(zhuǎn)換率，最終引起硅基APD探測器的測量響應(yīng)度逐漸變大，實際響應(yīng)度逐漸變小直至消失，對光電探測器的電學(xué)性能造成了嚴(yán)重的影響，這一結(jié)論為硅基APD探測器在實際應(yīng)用中的抗激光損傷防護提供了理論依據(jù)。