2024年4月26日发(作者：肥永元)
MSM探测器的研究综述
莫秋燕;吴家隐
【摘 要】光探测器是光纤通信系统的重要组成部分。金属-半导体-金属光电探测
器(metal-semicondctor-metal photodetector, MSM-PD)具有寄生电容低，响
应波长可覆盖光通信1300-1550nm的低损耗窗口波段等优点。在制作工艺方面，
MSM-PD结构简单，易于制作，从晶体生长到器件制作的整个过程与FET兼容。
因此，MSM-PD已成为光电子集成电路、高速光纤通信系统的高响应光电器件领
域的重要研究对象。简要介绍了MSM光探测器的技术概况，分析了MSM-PD的
基本原理和性能参数，并论述了MSM探测器的发展趋势。
【期刊名称】《黑龙江科技信息》
【年(卷),期】2015(000)009
【总页数】1页(P65-65)
【关键词】MSM光探测器;肖特基;材料;暗电流
【作 者】莫秋燕;吴家隐
【作者单位】凯里学院 物理与电子工程学院，贵州 凯里 556011;中国电信股份有
限公司广东研究院，广东 广州 510630
【正文语种】中 文
1971年,美国的等首先提出平面型的金属-半导体-金属(MSM)结构的概
念,并研制出硅上的MSM结构器件。1985年,德国半导体电子研究所率先将MSM
的概念应用到光电探测器上,发明了用叉指做电极,叉指间隙做光敏面的横向结构叉
指状电极的肖特基光电二极管,研制出第一个CaAs MSM-PD。目前,MSM-PD材
料研究的主要方向包括Si、SiGe、GaAs、InP及GaN等。研究发现,III-V族元素
(如GaAs、InP等)的禁带宽度对应的响应波长范围涵盖了通信等应用领域,且用III-
V族元素研制的MSM-PD与GaAs/InP的单片集成电路在制作工艺有很好的兼容,
所以是在光电集成器件中应用广泛。从光探测器工作原理上,光电探测器可以归类
为MSM-PD、PIN-PD、APD-PD等。PIN-PD响应速度较慢,而APD-PD具有需
要稳定的高偏压,且倍增系数受温度影响大等缺点。相比之下,MSM-PD量子效率
高,响应速度快。此外,MSM-PD结构简单,易于制作、寄生电容较低,从晶体生长到
器件制作的整个过程与FET兼容等特点,已成为光电子集成电路、高速光纤通信系
统的高响应光电器件。
MSM-PD探测的主要原理是本征吸收。当一定波长的光入射到探测器上,在hv＞
Eg的条件下,入射光子被电子激活从价带跃迁至导带,从而产生电子-空穴对。在外
电场作用下,电子-空穴对漂移至两端的叉指电极,形成光生电流,从而实现光电探测。
对于光探测器,暗电流、响应度以及频率特性等参数都需要重点考虑。这些参数是
决定整个光接收机性能的重要因素。MSM-PD具有结构简单、响应时间短等优点,
但由于异质结界面影响横向电流的流动,导致MSM-PD的暗电流偏高。另一方
面,MSM结构中叉指电极的存在,不可避免阻挡了部分正面入射的光,从而使探测器
的响应度偏低。但总的来说,随着MSM-PD材料和器件工艺不断完善,会最大限度
的消除这些不利因素,将会在通信、军事等领域得到更广泛的应用。下面对MSM-
PD的这三个参数作一下简单的讨论。
3.1 暗电流。暗电流是指在无光照射的情况下产生的电流。MSM-PD的暗电流主
要由两大部分组成,一部分是肖特基势垒的热空穴或电子的发射电流,另一部分是由
于肖特基势垒过低引起的激发电子-空穴对越过势垒而形成的电流。研究表明,采用
非对称叉指电极与非对称面电极结构可以抑制暗电流。从材料上,暗电流对肖特基
金属和半导体材料特别敏感,选择沉积了ZnO薄膜的MSM光电探测器可得到较低
的暗电流[1]。
3.2 应度。响应度描述的是光电转换效率,其定义是单位入射光功率所产生的光电流。
与PIN-PD相比,MSM-PD的叉指电极使其响应度偏低。如果MSM-PD选择垂直
正面入射的工作方式,电极就会阻挡入射光,从而影响探测器的量子效率。解决方案
是首先可以增大电极间的距离,但同时也增加了载流子的渡越时间。其次可以引入
ITO透明电极,确保绝大部分光透过电极。但透明电极的串联电阻更大,会影响探测
器的瞬态响应。
3.3 频率特性。MSM-PD的频率特性主要有两个限制因素,一是载流子渡越时间的
限制,二是寄生参数的影响。而MSM-PD的响应度和频率特性之间相互制约。一
方面,为了得到良好的响应度,吸收层厚度不能太薄,另一方面,为了获得更好的频率特
性,吸收层厚度做得越薄越好。所以,在器件设计时需综合考虑响应度和频率特性两
个参数。
MSM-PD的结构上从最初的只有衬底和吸收层,发展到可加缓冲层、势垒增加层等
不同的结构,入射方式上也可选择垂直正面入射、背入射或波导从侧面引入光等方
式,材料上可选择Si、Ge或者III-V族元素等。随着材料和器件工艺的不断完善和
研究的不断深入,MSM-PD在通信、军事及航空等不同领域都发挥着重要的作用。
4.1 集成小型化。MSM-PD器件制作工艺简单,一个倒置的In-GaAs MSM-PD可
用低温金属片接合技术集成在一个硅衬底上,再把倒置的InGaAs MSM阵列集成在
硅衬底上。其制作和粘接工艺与标准的CMOS相兼容,可在一个硅CMOS芯片上
集成III-V MSM阵列。该接合金属层的总厚度小于1000nm,且接合后背面入射比
正面入射的光电流增加了70%[2]。因此,集成小型化是MSM-PD的发展趋势之一。
4.2 高性能化。在材料方面,SiO2/Si衬底的ZnO MSM-PD能有效地抑制暗电流,
并且获得较高速率。基于GaAs材料的MSM-PD可以获得高响应度。而基于
GaAs衬底的InAlAs MSM-PD具有GHz的频率特性[3]。在结构上,使用单硅纳米
线(～50nm直径)制成的MSM-PD的光电响应接近3A/W,在偏压为1V的外量子
效率约为900%。在工艺上,使用聚焦离子束光刻图案化的纳米光栅可以增强吸收
层的吸收[4],增大探测器的量子效率。随着MSM-PD探测器材料和器件工艺上的
完善和制作技术的提高,其性能也越来越优异。
4.3 应用场景多样化。由于MSM-PD具有良好的性能,在通信、军事等领域得到广
泛应用。用ITO多硅晶MSM探测器串联的高频电路系统被应用于DNA探测和细
菌鉴定。利用不对称电极结构和MgZnO构成的MSM-PD探测器可用于太阳盲
区探测的紫外探测系统。在军事高科技和民品市场等通信系统和数字成像应用方
面,MSM-PD具有很高的价值。由此可见,MSM-PD应用场景越来越多样化。
MSM光探测器具有制作简单,寄生电容较低,与FET完全兼容等优点。随着材料和
器件结构工艺的不断完善,其暗电流、响应度和频率特性等性能会得到不断的完善,
并且朝着集成小型化、高性能化、应用场景多样化的方向发展,将在通信、军事等
领域得到更广泛的应用。
[2]Wu ation of inverted InGaAs MSM arrayon Si substrate through
low temperaturewafer bonding[J].Electronics Letters,2012(1):38-39.
[3]Kazuaki Maekita,Takeo Maruyama,Koichi Iiyama and Toshi-kazu
response of metamorphic InAlAs metal-semiconductormetal
photodetector on GaAs substrate[J].Japanese Journal of Applied
Physics,2014(53):02BC16-1-02BC16-3.
[4]Narottam Dasa,Ayman Karara,Mikhail is of nanograting -
assisted light absorption enhancement in metalsemiconductor-metal
photodetectors patterned using focused ion-beam lithography[J].Optics
Communications,2011(6):1694-1700.
2024年4月26日发(作者：肥永元)
MSM探测器的研究综述
莫秋燕;吴家隐
【摘 要】光探测器是光纤通信系统的重要组成部分。金属-半导体-金属光电探测
器(metal-semicondctor-metal photodetector, MSM-PD)具有寄生电容低，响
应波长可覆盖光通信1300-1550nm的低损耗窗口波段等优点。在制作工艺方面，
MSM-PD结构简单，易于制作，从晶体生长到器件制作的整个过程与FET兼容。
因此，MSM-PD已成为光电子集成电路、高速光纤通信系统的高响应光电器件领
域的重要研究对象。简要介绍了MSM光探测器的技术概况，分析了MSM-PD的
基本原理和性能参数，并论述了MSM探测器的发展趋势。
【期刊名称】《黑龙江科技信息》
【年(卷),期】2015(000)009
【总页数】1页(P65-65)
【关键词】MSM光探测器;肖特基;材料;暗电流
【作 者】莫秋燕;吴家隐
【作者单位】凯里学院 物理与电子工程学院，贵州 凯里 556011;中国电信股份有
限公司广东研究院，广东 广州 510630
【正文语种】中 文
1971年,美国的等首先提出平面型的金属-半导体-金属(MSM)结构的概
念,并研制出硅上的MSM结构器件。1985年,德国半导体电子研究所率先将MSM
的概念应用到光电探测器上,发明了用叉指做电极,叉指间隙做光敏面的横向结构叉
指状电极的肖特基光电二极管,研制出第一个CaAs MSM-PD。目前,MSM-PD材
料研究的主要方向包括Si、SiGe、GaAs、InP及GaN等。研究发现,III-V族元素
(如GaAs、InP等)的禁带宽度对应的响应波长范围涵盖了通信等应用领域,且用III-
V族元素研制的MSM-PD与GaAs/InP的单片集成电路在制作工艺有很好的兼容,
所以是在光电集成器件中应用广泛。从光探测器工作原理上,光电探测器可以归类
为MSM-PD、PIN-PD、APD-PD等。PIN-PD响应速度较慢,而APD-PD具有需
要稳定的高偏压,且倍增系数受温度影响大等缺点。相比之下,MSM-PD量子效率
高,响应速度快。此外,MSM-PD结构简单,易于制作、寄生电容较低,从晶体生长到
器件制作的整个过程与FET兼容等特点,已成为光电子集成电路、高速光纤通信系
统的高响应光电器件。
MSM-PD探测的主要原理是本征吸收。当一定波长的光入射到探测器上,在hv＞
Eg的条件下,入射光子被电子激活从价带跃迁至导带,从而产生电子-空穴对。在外
电场作用下,电子-空穴对漂移至两端的叉指电极,形成光生电流,从而实现光电探测。
对于光探测器,暗电流、响应度以及频率特性等参数都需要重点考虑。这些参数是
决定整个光接收机性能的重要因素。MSM-PD具有结构简单、响应时间短等优点,
但由于异质结界面影响横向电流的流动,导致MSM-PD的暗电流偏高。另一方
面,MSM结构中叉指电极的存在,不可避免阻挡了部分正面入射的光,从而使探测器
的响应度偏低。但总的来说,随着MSM-PD材料和器件工艺不断完善,会最大限度
的消除这些不利因素,将会在通信、军事等领域得到更广泛的应用。下面对MSM-
PD的这三个参数作一下简单的讨论。
3.1 暗电流。暗电流是指在无光照射的情况下产生的电流。MSM-PD的暗电流主
要由两大部分组成,一部分是肖特基势垒的热空穴或电子的发射电流,另一部分是由
于肖特基势垒过低引起的激发电子-空穴对越过势垒而形成的电流。研究表明,采用
非对称叉指电极与非对称面电极结构可以抑制暗电流。从材料上,暗电流对肖特基
金属和半导体材料特别敏感,选择沉积了ZnO薄膜的MSM光电探测器可得到较低
的暗电流[1]。
3.2 应度。响应度描述的是光电转换效率,其定义是单位入射光功率所产生的光电流。
与PIN-PD相比,MSM-PD的叉指电极使其响应度偏低。如果MSM-PD选择垂直
正面入射的工作方式,电极就会阻挡入射光,从而影响探测器的量子效率。解决方案
是首先可以增大电极间的距离,但同时也增加了载流子的渡越时间。其次可以引入
ITO透明电极,确保绝大部分光透过电极。但透明电极的串联电阻更大,会影响探测
器的瞬态响应。
3.3 频率特性。MSM-PD的频率特性主要有两个限制因素,一是载流子渡越时间的
限制,二是寄生参数的影响。而MSM-PD的响应度和频率特性之间相互制约。一
方面,为了得到良好的响应度,吸收层厚度不能太薄,另一方面,为了获得更好的频率特
性,吸收层厚度做得越薄越好。所以,在器件设计时需综合考虑响应度和频率特性两
个参数。
MSM-PD的结构上从最初的只有衬底和吸收层,发展到可加缓冲层、势垒增加层等
不同的结构,入射方式上也可选择垂直正面入射、背入射或波导从侧面引入光等方
式,材料上可选择Si、Ge或者III-V族元素等。随着材料和器件工艺的不断完善和
研究的不断深入,MSM-PD在通信、军事及航空等不同领域都发挥着重要的作用。
4.1 集成小型化。MSM-PD器件制作工艺简单,一个倒置的In-GaAs MSM-PD可
用低温金属片接合技术集成在一个硅衬底上,再把倒置的InGaAs MSM阵列集成在
硅衬底上。其制作和粘接工艺与标准的CMOS相兼容,可在一个硅CMOS芯片上
集成III-V MSM阵列。该接合金属层的总厚度小于1000nm,且接合后背面入射比
正面入射的光电流增加了70%[2]。因此,集成小型化是MSM-PD的发展趋势之一。
4.2 高性能化。在材料方面,SiO2/Si衬底的ZnO MSM-PD能有效地抑制暗电流,
并且获得较高速率。基于GaAs材料的MSM-PD可以获得高响应度。而基于
GaAs衬底的InAlAs MSM-PD具有GHz的频率特性[3]。在结构上,使用单硅纳米
线(～50nm直径)制成的MSM-PD的光电响应接近3A/W,在偏压为1V的外量子
效率约为900%。在工艺上,使用聚焦离子束光刻图案化的纳米光栅可以增强吸收
层的吸收[4],增大探测器的量子效率。随着MSM-PD探测器材料和器件工艺上的
完善和制作技术的提高,其性能也越来越优异。
4.3 应用场景多样化。由于MSM-PD具有良好的性能,在通信、军事等领域得到广
泛应用。用ITO多硅晶MSM探测器串联的高频电路系统被应用于DNA探测和细
菌鉴定。利用不对称电极结构和MgZnO构成的MSM-PD探测器可用于太阳盲
区探测的紫外探测系统。在军事高科技和民品市场等通信系统和数字成像应用方
面,MSM-PD具有很高的价值。由此可见,MSM-PD应用场景越来越多样化。
MSM光探测器具有制作简单,寄生电容较低,与FET完全兼容等优点。随着材料和
器件结构工艺的不断完善,其暗电流、响应度和频率特性等性能会得到不断的完善,
并且朝着集成小型化、高性能化、应用场景多样化的方向发展,将在通信、军事等
领域得到更广泛的应用。
[2]Wu ation of inverted InGaAs MSM arrayon Si substrate through
low temperaturewafer bonding[J].Electronics Letters,2012(1):38-39.
[3]Kazuaki Maekita,Takeo Maruyama,Koichi Iiyama and Toshi-kazu
response of metamorphic InAlAs metal-semiconductormetal
photodetector on GaAs substrate[J].Japanese Journal of Applied
Physics,2014(53):02BC16-1-02BC16-3.
[4]Narottam Dasa,Ayman Karara,Mikhail is of nanograting -
assisted light absorption enhancement in metalsemiconductor-metal
photodetectors patterned using focused ion-beam lithography[J].Optics
Communications,2011(6):1694-1700.