PDIC 用光偵測器之量測、模擬與製程最佳化

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

PDIC 用光偵測器之量測、模擬與製程最佳化

計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2622-E-002-048-CC3 執行期間： 91 年 12 月 01 日至 92 年 11 月 30 日 執行單位： 國立臺灣大學電子工程學研究所 計畫主持人： 林浩雄 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫為提升產業技術及人才培育研究計畫，不提供公開查詢

中 華 民 國 93 年 3 月 2 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

(提升產業技術及人才培育研究計畫)

PDIC 用光偵測器之量測、模擬與製程最佳化

計畫編號: NSC- 91-2622-E-002-048-CC3

執行期限:91/12/01~92/11/30

主持人:林浩雄

執行單位:國立台灣大學電子工程學研究所

中文摘要

本計畫針對用於 DVD 光學讀寫頭之 PDIC (Photo- Detector Integrated Circuit)內部 的光偵測器元件，建構一套量測系統，藉以 量測其頻譜反應。此外我們也建立一套程式 以模擬光偵測器之反應度(responsivity)藉以 擷取各項光偵測器重要物理參數，包括絕緣 層厚度、載子擴散長度、元件結構等。程式 中包括利用傳輸矩陣法(transmission matrix method)來估計入射光在具有介電層材料的 偵測器中之反射與吸收，以及聯立求解連續 性方程式、波松方程式來處理所吸收少數載 子的分佈與所收集到的光電流。利用這套程 式，我們成功地模擬實際的 PDIC 元件，並 完成重要元件參數的提供。 關鍵詞： 光電轉換晶片、光學讀取頭、光偵 測器

Abstract

In this project, we have developed techniques for extracting the parameters for modeling the photosensor in 650 nm PDIC designed for DVD pick-up head. Our first step was to set up a measurement system for characterizing the responsivity of the detectors. Then, we developed a set of program to simulate the measured responsivity. The program set has two portions, one using transmission matrix method to estimate the absorption of incident light in the photodetector, the other solving the Poission and continuity

equations to calculate the distribution of the photo-generated carriers and the collection currents. The simulation fits the experimental result quite well. Parameters including the diffusion length, surface recombination and the thickness of the dielectric layer and etc. are extracted for the design of photodetector in PDIC.

Keyword: PDIC, optical pick-up head, photodetector

介紹

近年來，隨著 DVD Forum 推廣 DVD 產 品的腳步加速，DVD 系列產品技術標準、專 利授權、產品認證及 DVD-Multi 規格等已漸 臻健全，使得 DVD 產品的市場遠景逐漸明 朗，國內外相關廠商也加速投入 DVD 關鍵零 組件、光碟機、光碟片等之生產製造，以期 及時掌握產品商機。在光碟機的產業，日本 掌握了大部分的關鍵零組件，並採取控制關 鍵組件的供應數量和高權利金來箝制台商， 唯有自行研發相關技術與關鍵零組件才能真 正的擁有自給自足的產業環境。[1-4] 無論是 CD 或是 DVD 的光碟機，最核心 的組件非光學讀寫頭莫屬[5]，本計劃目的是 設計光學讀寫頭內部的光偵測 IC 部分。首先 我們建構一套量測系統，藉以量測其頻譜反 應。此外我們也建立一套程式以模擬光偵測 器之反應度(responsivity)藉以擷取各項光偵 測器重要物理參數，包括絕緣層厚度、載子 擴散長度、元件結構等。程式中包括利用傳

輸矩陣法(transmission matrix method)來估計 入射光在具有介電層材料的偵測器中的反射 與吸收，以及聯立求解連續性方程式、波松 方程式來處理所吸收少數載子的分佈與所收 集到的光電流。利用這套程式，我們成功地 模擬實際的 PDIC 元件，並完成重要元件參 數的提供。

理論與模擬程式

光偵測器的模擬程式包含兩個部分，分 別是入射光偵測器表層介電層的干涉效應計 算以求取進入偵測器後的吸收，以及半導體 內部少數載子的分佈以及光電流的收集。 就入射光的計算，我們使用傳輸矩陣法 (transmission matrix method) [6]，代入所收集 的矽材料吸收與折射的資料 [7-8]，就廠商所 給定的介電層結構求取矽材料表面的反射率 R(λ)。除了對單一結構厚度的計算之外，由 實際的實驗量測，我們發覺這些結構也存在 均勻度上的問題使其在特定波長的干涉，不 如模擬的明顯。因此我們對介電層厚度的模 擬也同時加上均勻度的考慮。 其次我們使用波松與連續方程式處理偵 測器內因照光產生的載子及其電流的問題 [9]：電子的一維連續性方程式如下： x J q 1 n n G t n _n n 0 ∂ ∂ + τ − − = ∂ ∂ (1) 其中 n0為電子之平衡濃度，τn為電子的生命 期。G 為載子的產生率，考慮照光的狀況可 寫為： G=Φ(1−R)αe−αx (2) 其中Φ為入射光子的通量，R=R(λ)為反射 率 ， 如 前 所 述 因 為 光 偵 測 器 的 表 面 覆 有 SiO2/SiN 介電結構層，我們以另外的程式另 行計算反射率。其次 Jn為電子電流密度，可 表為擴散電流與漂移電流兩個部分： x n qD x V qn J_{n n n} ∂ ∂ + ∂ ∂ µ = (3) 其中µn為電子移動率，Dn為擴散常數。對於 電洞同樣也可寫出其連續性方程式： x J q 1 p p G t p p p 0 ∂ ∂ − τ − − = ∂ ∂ (4) 其中產生率 G 的部分與電子相同，但電流密 度的部分應為： x p qD x V qp J_{p p p} ∂ ∂ − ∂ ∂ µ = (5) 首先我們去除時間的變項，求取穩態 解。由光偵測器偏壓的條件訂出求解範圍的 邊界條件，再聯立求解上述方程式。由其邊 界的電流解可以獲取對應於特定波長入射光 子通量的電流反應。以電流除以入射光子功 率 可 以 得 到 光 偵 測 器 的 反 應 度 (Responsivity)。變化波長便可求得反應頻譜。

實驗量測

光頻譜反應量測實驗設置如圖一所示。 我們以 Tungsten-halogen 鹵素燈當作實驗量 測之燈源，其放光強度頻譜如圖二所示，光 源經過兩組透鏡(lens1, lens2)的聚焦再經過 頻率設定為 1kHz 之斷波器(chopper)作調變 之後，進入到 SPEX 500M 分光儀，將入射的 光源分成單調光。SPEX 500M 分光儀由電腦 控制的 SPEX CD2A 驅動。我們將 PD sample 放在分光儀的輸出位置來蒐集經過調變和分 光後之光線。PD 吸收不同波長的光會產生大 小不同之光電流再送入 SR570 電流放大器， SR570 內部的差模放大器可以抑制雜訊，故 只要適當的調整 SR570 的增益即可讓電訊號 得以乾淨的輸出，再送入 Stanford Research SR830 鎖相放大器處理後可讀出光電流之數 值，但是此處讀到的數值還須除去 SR570 的 增益才是真正的光電流值，光偵測器反應度 RPD的定義為 PD 輸出的光電流 Iph除以入射 PD 之光功率(POP) [9]。 OP ph PD P I R = (6) 由於標準 Si PD 和 PD sample 的受光面 積不同，所以入射光功率不一樣。在處理數 據時將 PD sample 的光電流 IPD除以 Si PD 的 光電流 ISi再乘以 Si PD 的反應度 RSi（如圖三 所示），即可得到 PD sample 的反應度頻譜 RPD (7)式，在實際考量上因為兩種 PD 吸收的 光功率不同，所以此處得到的 PD sample 反

應度頻譜僅為相對強度。 Si Si PD PD R I I R = (7) 絕對反應度的計算則必須把面積的因素考慮 進去。我們未來將考慮使用積分球將特定的 波長例如 650nm 入射光均勻散開之後，同時 量測待測元件與標準元件的光電流，經過面 積校正之後獲取絕對的反應度。 圖一 光偵測器反應度頻譜量測實驗設置，其 中平凸透鏡是將光線形成平行光線，凹 凸透鏡是用來將平行光聚焦。4-a 是斷 波器，由一旋轉馬達帶動，4-b 為 4-a 之轉速控制器。 圖二 量測反應度所用之鹵素燈的放光強度 頻譜。 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 Resp onsivity (A/W ) Wavelength (µm) Si PD Responsivity spectrum of Standard Si photodetector

0.47626 @ 769nm 圖三 標準 Si 光偵測器反應度頻譜，峰值位 置在 769nm，大小為 0.48A/W。

結果與討論

在量測系統架設完畢後之初期量到的反 應度頻譜在 500nm 以下的短波長區都有非常 大的雜訊。我們發現是來自於此波段光源強 度 的 衰 減 。 改 進 的 方 法 包 括 適 當 的 調 整 Current amplifier 的放大增益，以及使用適當 條數的光柵。量測系統首先使用的光柵條數 為 600 條，但是發現在短波長區的光源強度 較弱。改用條數為 1200 的光柵，其結果令人 滿意。至此光偵測器反應度的量測結果才到 達一合理且正確的程度。圖四所示的為使用 不同光柵的原始量測結果。 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 . 0 0 . 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 G r a tin g = 6 0 0 G r a tin g = 1 2 0 0 In te nsity ( a. u .) W a v e le n g th (µm ) G r a tin g = 6 0 0

G r a tin g = 6 0 0 ( w ith f ilte r ) G r a tin g = 1 2 0 0 G r a tin g = 1 2 0 0 ( w ith f il te r ) 圖四 比較兩種光柵條數的反應度頻譜，可明 顯的看到 600 條的結果在短波長區的 反應度有嚴重衰減，改用 1200 條數的 光柵所得到的反應度頻譜在短波長區 就有顯著的改善。 圖五為光偵測器編號 PDIC4~PDIC6 之 反應度頻譜的量測結果，圖六為光偵測器編 號 AO30927 的反應度頻譜量測結果。

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0 1.0x10-5 2.0x10-5 3.0x10-5 4.0x10-5 5.0x10-5 6.0x10-5 Re sp o n s iv it y ( a .u .) W avelength (µm ) PDIC4_Resp. PDIC5_Resp. PDIC6_Resp. 5.72E-5@ 725nm 3.41E-5@ 550nm 5.31E-5@ 810nm 5.82E-5@ 777nm 圖五 光偵測器編號 PDIC4~PDIC6 之反應度 頻譜量測結果。 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 R e s ponsiv it y ( a .u .) W avelength (µm) PD4-2-1 PD4-2-2 PD4-2-3 圖六 光偵測器編號 AO30927 之反應度頻譜 量測結果，此 IC 內部包含三個 PD，其 中 PD4-2-2 和 PD4-2-3 結構一樣。 針對光偵測器編號 PDIC4 和 AO30927 的反應度量測結果，我們以模擬程式進行擬 合。圖七為編號 AO30927 光偵測器的擬合結 果，表一為其擬合所用的半導體物理結構參 數和擬合變數的結果。圖八為 PDIC4 的擬合 結果，表二為其擬合所用的半導體物理結構 參數和擬合變數的結果。 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.40 0.60 0.80 1.00 Wavelength (um) R es pons iv it y ( a. u. ) Exp. fit 圖七 光偵測器編號 AO30927 的反應度擬合 結果。 表一 AO30927 光偵測器反應度擬合所用之 結構參數和擬合變數結果。 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.00000 0.00001 0.00002 0.00003 0.00004 0.00005 0.00006 0.00007 Responsivi ty ( a .u .) Wavelength (µm) Exp. Fitting 圖八 光偵測器編號 PDIC4 的反應度頻譜擬 合結果。 表二 PDIC4 光偵測器反應度頻譜擬合所用 之結構參數和擬合變數結果。

PNP structure P+ Nepi Psub

doping (cm-3) _1×1018 _5×1015 4.6×1014 thickness (cm) _{0.0002 0.0008 0.02} lifetime (sec) _2.5×10-8 1×10-7 1.4×10-7 Bias (V) _{-1 GND -3} Ox thickness _{1.6 µm}

NP structure Nepi Psub

doping (cm-3) _5×1015 _4.6×1014 thickness (cm) _{0.0001 0.02} lifetime (sec) _2.5×10-8 _1×10-7 Bias (V) _{GND -3} Ox thickness _{1.6 µm} K factor _3.61×10-2 SRV (cm/sec) _154.3×103 A1 factor _2.05×10-1 A2 factor _5.15×10-1

NP structure Nepi Psub

doping (cm-3) 1.67×1017 4.64×1016 thickness (cm) 0.0009 0.02 lifetime (sec) 7.54×10-6 8.59×10-8 Bias (V) GND -3 Ox thickness 0.11 µm K factor 0.13 SRV (cm/sec) 11200

p.s.:

SRV 為 surface recombination velocity， A1 和 A2 factor 表示氧化層的不均勻對 干涉現象造成的影響，K factor 用來將 實驗和擬合曲線作大小上的逼近。

結論

我們成功地設置了光偵測器反應度的量 測系統，並且經過一連串量測方法的改良， 完成了光偵測器的量測。在模擬程式部分， 建立了包括入射光干涉計算以及聯立解波松 與連續性方程式以獲取光電流與光反應度的 程式。我們並對實際的 PDIC 偵測器元件進 行量測以及程式模擬。藉由模擬我們取出了 包括載子擴散長度、矽表面復合速度、元件 表面介電層厚度等重要參數，並已提供廠商 進行電路設計工作。

參考文獻

[1] 2000 年可讀寫型 DVD 產業及技術動態調 查。光電科技工業協進會。中華民國九十 年三月出版。

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