1 064 nm连续激光辐照对硅基PIN探测器光生载流子影响的实验研究

麻健雄，魏智，王頔，金光勇，梁超

（长春理工大学 物理学院，长春 130022）

硅基PIN光电探测器是一种高敏感度的电子器件，它具有灵敏度高、体积小、成本低等优点［1-2］，广泛应用于光电探测领域。在工业上，硅基PIN探测器用于光电在线检测。在民用领域，硅基PIN探测器作为无线光通信系统中的光接收器件，其主要作用是将携带信息的光信号还原成电信号。特别是激光辐照硅基PIN探测器输出电流特性，国内外学者都有研究。1990年，Steve E W等人［3］对脉宽为10 ns的激光辐照致使光电探测器电学性能下降和表面损伤形貌进行了较为深入的研究，发现器件电学性能下降的原因是耗尽层产生的缺陷所致。1992年，Huang A L等人［4］通过观察不同ns脉冲激光辐照硅基PIN二极管的破坏形态和电气性能，发现激光辐照前后的外置偏压发生重大变化。2005年，国防科学技术大学的马丽芹［5］对半导体光电探测器中载流子输运过程进行研究，发现激光辐照探测器出现新的非线性现象为混沌现象和零压输出现象。同年，美国空军研究实验室的Chen J K等人［6］对超短脉冲对半导体器件的损伤进行了数值模拟，发现载流子产生的关键因素是单光子吸收和俄歇复合。2012年，电子工程学院的豆贤安［7］通过实验观察到飞秒激光辐照硅PIN光电探测器时，瞬态响应信号相继出现3个不同的相位，分析出其持续时间由载流子扩散速度决定的结论。2018年，长春理工大学的王頔［8］对长脉冲激光辐照硅基APD光电探测器进行了研究，发现长脉冲激光辐照硅基APD光电探测器的输出电流分为三个阶段。2019年，长春理工大学的陈酒［9］对长脉冲激光与硅基APD探测器相互作用进行研究，通过理论和仿真分析了长脉冲激光与零偏电压和外置偏压不同条件下硅基APD热学作用之间的关系，验证了热学模型的合理性。同年，西安理工大学的刘昭辉［10］对半导体激光器和光电探测器响应度特性进行研究，通过建立等效电路模型，研究了温度对激光器输入输出特性的影响和入射光强对探测器电压电流特性的影响。2021年，长春理工大学的刘红煦［11］对脉冲致QPD损伤面积及形貌进行研究，测量了硅基QPD单一象限的损伤面积、形貌随激光能量密度和脉宽的变化。结果表明：损伤面积随激光能量密度的增加而增加、随脉宽的增加而降低。

通过对1 064 nm连续激光辐照对硅基PIN探测器光生载流子影响的实验研究，分析了不同外置偏压、不同功率密度、不同辐照时间下载流子的变化，该研究内容对于提高硅基PIN探测器在激光应用领域的性能具有重要意义。

1 实验

1 064 nm连续激光辐照硅基PIN探测器的实验装置如图1所示。建立由激光发射及监测和输出电流精确采集的实验系统。首先是激光发射及监测系统：实验中采用1 064 nm连续激光系统，激光空间分布为高斯分布。实验所用PIN探测器样品为GT102型硅基PIN探测器，响应波长为400～1 100 nm。1 064 nm连续激光辐照硅基PIN探测器的实验中，让这束连续激光通过衰减片和分光镜分成两束激光，一束通过聚焦透镜入射到硅基PIN探测器表面，一束入射到功率计上，并通过功率计对入射激光功率进行实时检测。其后输出激光经聚焦透镜聚焦后辐照在硅基PIN探测器上，光斑直径为0.5 mm，最后通过调节光束路径上的衰减片来调节入射激光的注入量，利用输出电流精确采集系统中的示波器来记录输出电流。

图1 1 064 nm连续激光辐照硅基PIN光电探测器的实验装置

2 结果分析

图2探测器输出电流随时间变化关系图，此时激光功率密度为6 087.460 W/cm2，外置偏压为20 V，激光辐照时间为1 s。可以看出，激光辐照硅基PIN探测器的过程可分为三个阶段：光生阶段、过渡阶段和恢复阶段。激光辐照硅基PIN探测器时，当入射光子能量大于禁带宽度时，大部分光子会在内建电场被吸收产生电子-空穴对，并在电场的作用下做定向的漂移运动，而在内建电场的P+、N+区势垒外，光生载流子只能做无规则的扩散运动，P+区的少子电子先扩散到I区边界，然后在内建电场的作用下漂移到N+区，在N+区势垒外继续做扩散运动。通过外置电压与扩散、漂移电流的相互作用，形成输出电流，完成光信号向电信号的转换。此时输出电流进入光生电流阶段产生大量的光生载流子，之后输出电流进入过渡阶段，势垒开始缓慢消失，输出电流形成一个近似平台的输出电流，此时在硅基PIN探测器内部，载流子的漂移运动和扩散运动同时存在，只是扩散运动相对较少，可以忽略不计。最后随着激光注入能量的停止，势垒开始重新建立，此时输出电流进入恢复阶段，硅基PIN探测器性能开始缓慢恢复。

图2 1 064 nm连续激光辐照硅基PIN探测器输出电流随时间变化关系图

图3为外置偏压为20 V，不同辐照时间，不同功率的激光辐照硅基PIN探测器输出电流随时间的变化关系。由图3（a）可以看出，激光辐照硅基PIN探测器1 s时，激光功率为5 047.609 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为21 mA，平台输出电流为19.9 mA；激光功率为5 394.226 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为21 mA，平台输出电流为19.9 mA；激光功率为5 762.506 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为21 mA，平台输出电流为19.9 mA；激光功率为6 087.460 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为21 mA，平台输出电流为19.9 mA。由图3（b）可以看出，激光辐照硅基PIN探测器3 s时，激光功率为5 047.609 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为21 mA，平台输出电流为19.9 mA；激光功率为5 394.226 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为21 mA，平台输出电流为19.9 mA；激光功率为5 762.506 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为21 mA，平台输出电流为19.9 mA；激光功率为6 087.460 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为21 mA，平台输出电流为19.9 mA。

图3 外置偏压为20 V，不同辐照时间，不同功率的激光辐照硅基PIN探测器输出电流随时间的变化关系

图4为外置偏压为30 V，不同辐照时间，不同功率的激光辐照硅基PIN探测器输出电流随时间的变化关系。由图4（a）可以看出，激光辐照硅基PIN探测器1 s时，激光功率为5 047.609 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为32 mA，平台输出电流为29.9 mA；激光功率为5 394.226 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为32 mA，平台输出电流为29.9 mA；激光功率为5 762.506 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为32 mA，平台输出电流为29.9 mA；激光功率为6 087.460 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为32 mA，平台输出电流为29.9 mA。由图4（b）可以看出，激光辐照硅基PIN探测器1 s时，激光功率为5 047.609 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为32 mA，平台输出电流为29.5 mA；激光功率为5 394.226 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为32 mA，平台输出电流为29.5 mA；激光功率为5 762.506 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为32 mA，平台输出电流为29.5 mA；激光功率为6 087.460 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为32 mA，平台输出电流为29.5 mA。

图4 外置偏压为30 V，不同辐照时间，不同功率的激光辐照硅基PIN探测器输出电流随时间的变化关系

图5为外置偏压为40 V，不同辐照时间，不同功率的激光辐照硅基PIN探测器输出电流随时间的变化关系。

图5 外置偏压为40 V，不同辐照时间，不同功率的激光辐照硅基PIN探测器输出电流随时间的变化关系

由图5（a）可以看出，激光辐照硅基PIN探测器1 s时，激光功率为5 047.609 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为42 mA，平台输出电流为40 mA；激光功率为5 394.226 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为42 mA，平台输出电流为40 mA；激光功率为5 762.506 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为42 mA，平台输出电流为40 mA；激光功率为6 087.460 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为42 mA，平台输出电流为40 mA。由图5（b）可以看出，激光辐照硅基PIN探测器3 s时，激光功率为5 047.609 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为42 mA，平台输出电流为40 mA；激光功率为5 394.226 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为42 mA，平台输出电流为40 mA；激光功率为5 762.506 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为42 mA，平台输出电流为40 mA；激光功率为6 087.460 W/cm2的激光辐照硅基PIN探测器的峰值输出电流为42 mA，平台输出电流为40 mA。

由图3、图4、图5可以看出硅基PIN探测器在外置偏压作用下，输出电流分为三个阶段：光生电流阶段、过渡阶段和恢复阶段。由图3（a）、图4（a）和图5（a）可以看出在光生阶段产生输出电流，输出电流随着外置偏压的增大而增大，这是由于相同功率密度的激光辐照硅基PIN探测器时，硅基PIN探测器内产生的光生载流子是等量的，但随着外置偏压的增大载流子的漂移速度增大，单位时间内输出到外界的载流子数量不同，从而导致输出电流随外界电压的增大而增大；由图 3（b）、图 4（b）和图 5（b）可以看出在过渡阶段，输出电流随电压的增大而增大，这是由于在光生阶段产生的输出电流随电压的增大而增大，此时势垒逐渐消失，会形成随电压增大而增大的近似平台的输出电流。由图3（a）和图3（b）可以看出，随着激光注入量的停止，硅基PIN探测器进入恢复阶段及散热阶段，此时势垒重新建立，硅基PIN探测器的特性开始缓慢恢复。

3 结论

随着光电子技术和光电对抗技术的发展，激光与光电探测器相互作用的相关研究，特别是强激光对光电探测器中载流子的影响备受人们重视。当光电探测器受到高于探测器饱和阈值而低于破坏阈值的中等功率的激光辐照时，激光可能会对光电探测器内部载流子造成影响。为了研究连续激光对硅基PIN探测器中光生载流子的影响机理，建立了一套实验系统，研究了硅基PIN探测器在不同偏置电压、不同激光功率、不同作用时间条件下，其输出电流的变化规律。选择合适的连续激光参数辐照硅基PIN探测器，在辐照的过程中使用示波器实时监测硅基PIN探测器的输出电流，对输出电流变化进行分析，得出1 064 nm连续激光对硅基PIN探测器中光生载流子的影响机理。结果表明：硅基PIN探测器在外置偏压作用下，输出电流分为三个阶段：光生电流阶段、过渡阶段和恢复阶段；在光生电流阶段，输出电流随着外置偏压的增大而增大，这是由于相同功率密度的激光辐照硅基PIN探测器时，硅基PIN探测器内产生的光生载流子是等量的，但随着外置偏压的增大，载流子的漂移速度增大，单位时间内输出到外界的载流子数量增大，从而导致输出电流随外界电压的增大而增大；在过渡阶段，输出电流随电压的增大而增大，这是由于在光生阶段产生的输出电流随电压的增大而增大，此时势垒逐渐消失，输出电流会形成随电压增大而增大的平台输出电流。随着激光注入量的停止，硅基PIN探测器进入恢复阶段及散热阶段，此时势垒重新建立，硅基PIN探测器特性开始缓慢恢复。这些结论对提高硅基PIN探测器在激光应用领域的性能具有重要意义。