光偵測原理

能將光能量轉換成電能量的半導體感測器，稱之為半導體光偵測器。而在光轉電的 過程之中，難免會有所損耗，因此，如何有效地減少耗損，即為設計光偵測器的主要課 題。主要有四個因素影響著最後的光偵測效能:

(1)光穿透率，(2)材料吸收，(3)量子效率，(4)電荷傳輸效率。[4]

(1)光穿透率即為光在入射後至偵測器結構吸收前因為材料折射率不同造成的表面反射。

一般來說，反射率皆可經由表面鍍上抗反射層﹙anti-reflection-coating﹚達到相當程 度的減少，然而此結構無法於 CMOS 標準製程中達成。

(2)當光進入光偵測器後，需在光能量大於材料能隙﹙bandgap﹚的條件下，處於價帶的 電子將躍升至傳導帶產生電子電洞對，決定電子電洞對數量的因子便為材料吸收係 數α﹙absorption coefficient﹚其倒數定義為入射深度﹙penetration depth﹚。此外由於 吸收係數的影響，入射光的強度會隨著入射深度成指數的衰減， Ie^{- x} ，對特定波 長而言，吸收係數為一定值，如圖 2-1 所示。

圖 2-1、不同材料吸收係數與光波長之關係[5]

而對 CMOS 製程而言，矽的吸收係數可由公式﹙2-1﹚近似﹙λ 為入射光波長﹙μm﹚﹚，

而得到圖 2-2 之相對關係。圖中我們可以了解，矽吸收係數隨著波長減少呈指數 增加，在入射光大於0.95 μm 時因吸收過低而無法產生載子，小於 0.4 μm 因大量 載子產生過於靠近表面而使表面復合率相當高。因此，CMOS 光偵測器操作範圍 約在 0.4-0.85 μm。

α = 1013.2131;36.7985λ:48.1893λ²;22.5562λ³ 1/[cm] , (2-1)

圖 2-2、矽光偵測器入射光波長與吸收係數[4]

(3)量子效率﹙quantum efficiency, η_ph﹚定義為平均每吸收一個光子可激發電子電洞對 的數量。理想上一顆光子可產生一組電子電洞對。

(4)電荷收集效率﹙charge collection efficiency﹚決定了光偵測器的速度與響應率。為使 光偵測器有最好的特性，若能使大部分光子在空乏區內吸收，利用較快的飄移﹙drift﹚

機制傳輸少數載子，避免少數載子在通過空乏區前復合，就能達到高速度、高響應 的效果。在空乏區外的載子則由較慢的擴散﹙diffusion﹚機制傳輸，光電流即為此兩 種機制收集到的載子總和。然而緩慢的擴散載子在暫態響應上產生的尾狀響應﹙tail response﹚，限制了光偵測器的速度，距離空乏區過遠的吸收甚至無法貢獻響應率。

因此，在圖 2-3 中顯示 CMOS 光偵測器元件結構與入射光吸收之深度，並可發現波 長為 400 nm 在深度大於 0.5 μm 時以幾乎完全被吸收，而 850 nm 在大於 10 μm 時仍 有一半的光未被吸收。

圖 2-3、CMOS 光偵測器元件結構與入射光吸收之深度[4]

最後，根據以上四個主要因素，我們定義兩個重要的參數[6]：

η_ph =_P^Iph/q

inc/hν = Number of induced electrons

Number of photons , (2-2)

R(Responsivity) =_P^Iph

inc =^η_h𝜈^phe= Photocurrent

Incident power , (2-3)

響應率﹙Responsivity﹚代表每單位入射光能量所能產生的電流比例。