摘要: 分析了高灵敏度光电位置传感器(PSD)的设计和工艺制作过程,给出了器件制作工艺流程。对制作的器件进行了参数测试,测试结果为:响应波长为600～1200nm,峰值响应波长为760nm,位置分辨能力为5μm ,位置探测误差为±50μm,暗电流为1.4×10- 10A( VR=- 5 V),峰值灵敏度为0.8634A/ W。同时为提高器件的响应速度,提出了基于SOI 技术的PSD器件结构。 关键词: 光电位置传感器;电极;灵敏度;位置分辨率;工艺;线性度;SOI 半导体光
摘要: 分析了高灵敏度光电位置传感器(PSD)的设计和工艺制作过程,给出了器件制作工艺流程。对制作的器件进行了参数测试,测试结果为:响应波长为600～1200nm,峰值响应波长为760nm,位置分辨能力为5μm ,位置探测误差为±50μm,暗电流为1.4×10
- 10A( V
R=- 5 V),峰值灵敏度为0.8634A/ W。同时为提高器件的响应速度,提出了基于SOI 技术的PSD器件结构。
关键词: 光电位置传感器;电极;灵敏度;位置分辨率;工艺;线性度;SOI
半导体光电位置传感器PSD( Position Sensitive Device) 是一种基于横向光电效应的光电位置敏感探测器。它是一种新型的半导体位置敏感探测器,除了具有光电二极管阵列和CCD的定位性能外,还具有灵敏度高、分辩率高、响应速度快和电路配置简单等特点。因而逐渐被人们所重视。PSD的发展趋势是高分辨率、高线性度、快响应速度及信号采集处理等多功能集成。PSD可用于精密尺寸、三维空间位置和角度的测量,是近程(10m以内) 实时测量飞行器位置和距离的极佳器件,如空中加油机等空间飞行器对接中可精确提供目标的相对位置、距离及角度姿态;空间光通信中位置误差信号的提取等。随着光电子技术和MEMS技术的结合,集成PSD器件系统的应用将更加广泛。
1 光电位置传感器(2D-PSD) 器件测量位置基本原理
实用的PSD一般采用PIN结构,PIN二极管由三层半导体组成,即高浓度的P
+区、高浓度的N
+区及其在二者之间的高阻本征I区。本文所描述制作的光电位置传感器的本征I 层的电阻率大于1000 Ωcm。由于I 区的电阻率极高,其中能电离的掺杂原子很小,耗尽层将占据整个I区并向P
+区与N
+区两边作少许扩展。但因为这两个区域的掺杂浓度很高,这种扩展极为有限,所以耗尽层的宽度基本上等于I 层厚度。
当外加电压为0 时,整个I区已成为耗尽层。进一步给二极管加反向偏压时,由于P
+区和N
+掺杂浓度很高,其中相应地存在大量可以电离的施主与受主,因此耗尽层宽度增加得很少,结电容基本上与反向偏压无关。因此,PIN结构有助于减小电容效应,提高量子效率,改善波长特性。其结构如图1所示。2D-PSD器件是一种以电荷分配为原理的位置灵敏探测器件。它把所产生的电流分成了四部分,进行归一化后,确定出X和Y位置坐标,完成二维位置的测量。
图2 为2D-PSD 表面结构图及光照下的等效电路图。图中,2D-PSD灵敏区面积为L×L平方单位;四个电极结构设置如图所示。I
1、I
2、I
3、I
4分别为四个电极所收集的光电流; I为所产生的总的光电流;I
x和I
y为总的光生电流I 在X 、Y 方向的水平和垂直分量。能量为h
υ的光子入射位置如图2 所示。
图1 PSD 基本结构示意图 图2 2D-PSD 表面结构图及光照下的等效电路图
由于取灵敏面积的中心位置0为二维X-Y 坐标系原点, 因而光点的位置坐标为( X ,Y) 。等效电路图中, I为总的光电流; C 为2D-PSD 的单位耗尽层结电容; R 为2D-PSD 的分流电阻。
2D-PSD 器件灵敏表面位置薄层电阻率为ρ,厚度为W,坐标为( X , Y) 的光点把灵敏表面分成了四部分,即R1 、R2 、R3 、R4 。它们占据的灵敏表面面积分别为: ( L/2+X) ( L/2+Y) 、(L/2+X) ( L/2-Y) 、( L/2-X) ( L/2-Y) 、(L/2-X) ( L/2 +Y) 平方单位,表面薄层电阻R
s占据灵敏表面面积为L×L平方单位。
因而:
当能量为h
υ的光子入射到光敏表面向四面八方流动,产生的光电流I可用两个正交分量I
x和I
y表示。I
x为平行于X轴方向的分量, I
y为平行于Y 轴方向的分量, I
x+ I
y=I。由于表面薄层电阻线性均匀一致,载流子的移动符合欧姆定律,四个电流分量I
1、I
2、I
3、I
4分别流经电阻R1 、R2 、R3 、R4,同时I
x、I
y两个分量也都流经R1 、R2 、R3 、R4 ,然后到达四个电极。因此每个电极上的电流分别为：
