本期封面报道单位 中科芯集成电路有限公司   无锡中微晶园电子有限公司

 封面文章 硅基雪崩光电二极管的技术及应用

编者按

       硅基雪崩光电二极管是一种可用于对微弱光，甚至单光子进行探测的光电器件，广泛的被应用于激光测距、激光成像、量子通信和生物医疗等领域。编辑部特邀无锡中微晶园电子有限公司的光电器件研发团队撰写《硅基雪崩光电二极管的技术及应用》综述论文。文章从工作原理、常见结构和分类三个方面对硅基雪崩光电二极管的技术进行分析，并对其性能发展趋势进行阐述，最后介绍了硅基雪崩光电二极管的应用。

1 背景介绍

光电探测器是一种将光信号转变为电信号，从而可以直接对光信号进行测量的半导体器件，在检测领域和光通信领域等起着举足轻重的作用。随着检测技术和光通信技术的不断发展，对微弱光强的检测，甚至是单光子计数的需求越加的迫切。目前可实现微弱光检测的器件有光电倍增管（PMT）和雪崩光电二极管（APD）。PMT具有体积大、暗电流大、使用寿命短和不抗电磁干扰等缺点。

APD是基于半导体内光电效应，将光的能量转化为电能的光电器件。APD与普通光电二极管的区别在于APD通过在器件内部创造一个强电场区域，使得生成的光生载流子在强电场的作用下发生雪崩效应，最终实现器件在弱光下仍能够产生大的光电流。APD具有体积小、灵敏度高、响应速度快、功耗低和抗电磁干扰等优点，因此PMT在弱光检测领域逐渐被APD所替代。

2 Si-APD简介

2.1 Si-APD的工作原理

APD器件的工作主要分为两个阶段，光能的吸收和电信号的放大。当微弱光照射到器件表面时，硅材料吸收了光子的能量，将价带上的电子激发跃迁到导带上，形成光生载流子。在Si-APD的电极两端加上反向偏压，光生载流子在电场的作用下，漂移进入雪崩区。Si-APD的雪崩区内部具有较强的电场，漂移进入雪崩区的光生载流子在电场的作用下加速，动能增加，与雪崩区的晶格原子产生碰撞，发生电离，形成新的电子空穴对。新的电子空穴对会在电场作用下继续加速发生碰撞电离，产生新的电子空穴对。如此往复，电子空穴对在雪崩区发生雪崩电离效应，形成较大的电流输出。

表征Si-APD器件特性的主要参数有伏安特性、光谱响应（SR）特性、探测灵敏度和响应速度等。伏安特性中包括有器件的暗电流I_dark、光电流I_light、击穿电压BV、雪崩倍增系数M等。

2.2 Si-APD的常见结构

如图1所示为商用Si-APD器件的常见结构。Si-APD器件的基本结构为包含有PN结的光电二极管。通常情况下采用P型衬底，N+的有源区形成P型N结构的雪崩光电二极管。为了实现雪崩区和吸收区的分离，Si-APD通过高强度的束流掺杂形成雪崩区。雪崩区的掺杂类型与衬底相同，掺杂浓度以及掺杂深度对器件的性能影响较大。在有源区的外围制备保护环用于解决器件击穿电压低的问题。有源区、雪崩区、保护环和外围环一般都是在硅片的外延层中制备获得。

图1 Si-APD器件的常见结构

2.3 Si-APD的分类

Si-APD器件的系列化产品众多，可以根据不同的特性进行不同的分类，如图2所示。

图2 Si-APD器件的分类

3 Si-APD的量产研究

Si-APD器件的量产长期掌握在国外巨头的手中，如美国的First Sensor、日本滨松等。我国对于Si-APD器件国产化的量产制备研究起步较晚。目前国内Si-APD器件现如今仍全面落后于国外巨头，主要落后的方面在于应用较少导致产品系列化的不全面。无锡中微晶园电子有限公司经过几年的研究，已经可实现各款型号Si-APD器件的国产化，器件性能可完全满足现有产品的应用需求。

图3 Si-APD器件晶园片和TO46封装成品图

图3左图所示为无锡中微晶园电子有限公司Si-APD晶圆片的实拍图，目前无锡中微晶园电子有限公司可进行批量APD芯片的生产，芯片单元尺寸为1 mm*1 mm。如图3右图所示为采用TO46进行封装的成品图。如图4所示为APD500-8型Si-APD器件暗电流、光电流随着偏置电压变化情况的实测结果。测试结果显示量产Si-APD芯片的暗电流可达到pA量级，表明该器件具有非常优异的电学性能。Si-APD器件光电流的变化与暗电流的变化有明显的区别，光电流随着偏置电压的增加而快速增加，因此该Si-APD器件呈现了较好的光电流倍增特性。

图4 Si-APD器件暗电流与光电流的特性

如图5所示为Si-APD器件雪崩倍增系数M与偏置电压的关系。在偏置电压为100.8 V时雪崩倍增系数达到100，此时暗电流仅为13.6 pA。测试结果表明该型号的Si-APD具有优异的光电流倍增性能。

图5 Si-APD器件放大倍增特性

如图6所示为Si-APD器件在不同波长下光谱响应（SR）的测试结果。峰值波长为940 nm，此时光谱响应度达到0.64 A/W。该器件的峰值波长设计为940 nm的目的是为了能够更好的搭配940 nm的LED一起使用，发挥出器件最优异的性能。

图6 Si-APD器件的光谱响应

以上测试数据为无锡中微晶园电子有限公司APD500-8型Si-APD器件的实测结果，测试结果与现有同类产品的性能相当，可完全满足Si-APD器件的国产化需求。不同的使用场景对Si-APD器件的参数提出了不同的需求。Si-APD器件的产品类型如表1所示。目前无锡中微晶园电子有限公司可实现Si-APD芯片的定制服务，可根据客户需求进行定制化产品设计及加工。

表1 Si-APD器件的产品类型

4 Si-APD的应用

4.1 激光测距及成像的应用

随着自动驾驶技术的逐渐推广，激光测距的应用前景被逐渐的开发与研究。激光测距仪是由单束或多束激光器、机械转动装置、光学系统、光电探测器和处理电路等组成。由于常见的物体表面为漫反射表面，并非光滑的反射平面。因此被光电探测器接收到的光的能量非常弱，普通光电二极管（PD）的响应能力并不足够对这么微弱的光电流给出反馈。因此激光测距中的光电探测器需要使用Si-APD器件。

4.2 生物医学成像的应用

生物医学成像设备在临床疾病的诊治过程中扮演着越来越重要的角色。通过成像结果，医生可以快速得知病人发病的位置，进行快速诊治。生物医学成像主要有两种技术，分别是正电子发射计算机断层扫描（PET）和单光子发射计算机断层显像（SPECT）。PET和SPECT的成像过程中都需要使用光电探测器接收从生物体内反射回来的光信号。PET和SPECT中使用的一般是由Si-APD阵列与淬灭电路组成的硅光电倍增管（SiPM）。

4.3 其他方面应用

除了激光测距及成像的应用和生物医学成像的应用外，Si-APD还可以用于核辐射剂量的测量。Si-APD阵列器件可以被应用于自由空间光通信，实现了跟踪和通信的一体化，降低系统设计的复杂程度，降低系统的成本。Si-APD器件是利用雪崩效应，将微弱光转化为大电流的光电器件，因为除了以上的应用领域外，对于任何需要对微弱光进行探测的领域都将会有非常大的应用价值，如生物识别、食品检测等。

5 总结与展望

随着智能化驾驶、智能化家居、高灵敏度检测等应用的快速发展，对微弱光和单光子的探测需要将会有爆发式的增长。Si-APD器件技术的发展方向主要有两个，一方面是器件的微型化和集成化。另一个方面是Si-APD器件性能的进一步提升，如紫外波段和红外、近红外波段探测响应度的提升。随着Si-APD技术的不断发展及Si-APD量产技术的成熟，越来越多的领域可以使用到价格低廉、性能优越的Si-APD器件。

公司简介：

无锡中微晶园电子有限公司是中科芯集成电路有限公司的控股公司，隶属于中国电子科技集团公司（CETC），是一家专业从事半导体器件产品研发、生产和销售的国家高新技术企业。公司具备雄厚的研发实力，承担多项国家、省级重大科技项目，2010、2018年2次荣获国家科技进步二等奖等奖项，具有抗辐射SOI技术、高压技术等特色工艺，在光电器件、射频器件、保护类器件、MEMS、功率器件等领域开发出多系列具有市场竞争力产品。

公司拥有一条宇航级五英寸CMOS工艺生产线及六英寸器件工艺生产线，可以为客户提供0.5μm～3μm 标准CMOS 、半导体分立器件等多种工艺技术的加工服务，是一条多种工艺、多代技术兼容的集成电路和分立器件加工线，通过国家军标线认证，是国家认证的宇航级电路工艺加工线。公司重视发展自己的特色工艺、特色服务，既可为客户提供标准工艺加工，又可为客户量身定做特殊工艺；重视发展与客户的合作，期待与客户共同成长。