《Micromachines》：Reduction in Dark Current in Photodiodes: A Review
Alper ülkü,
Ralph Potztal,
Tobias Blaettler,
Cengiz Tu?sav Küp?ü,
Reto Besserer,
Dietmar Bertsch,
Tina Strüning and
Samuel Huber
编辑推荐：
本文系统评述了光电二极管暗电流的物理机理与抑制技术。暗电流是探测器噪声的根源，限制了其在低光应用中的信噪比（SNR）与探测率（D*）。文章涵盖了扩散、肖克利-瑞德-霍尔（SRH）产生复合、陷阱辅助隧穿、带间隧穿及表面泄漏等机制，并详细梳理了热管理、表面钝化、保护环结构、吸杂与缺陷工程、掺杂分布优化、偏压管理及先进器件结构等抑制策略。对硅、锗、III-V族化合物、锗锡合金、二维材料等光电二极管在近红外、CMOS成像、单光子雪崩二极管（SPAD）、飞行时间（ToF）等应用领域的进展给予了特别关注，为光电探测器设计提供了全面参考。
2.1. 扩散电流
在耗尽区两侧的准中性区域，热激发持续产生少数载流子，这些载流子会向结区扩散并被内建电场扫过，从而形成扩散电流。其电流密度正比于本征载流子浓度ni2，而ni2与exp(-Eg/kT)成正比，因此扩散电流对温度极为敏感。在宽带隙半导体中，高温下扩散电流常占主导；而对于窄带隙材料（如HgCdTe），即使在室温附近，扩散电流也往往是限制因素。在高质量、缺陷少的硅光电二极管中，室温下扩散电流也是主要贡献者。
2.2. 肖克利-瑞德-霍尔（SRH）产生复合电流
所有半导体晶体中都存在缺陷，如杂质、空位和位错，这些缺陷会在禁带中引入局域态。当这些陷阱能级位于带隙中间附近时，它们会成为高效的热产生中心。SRH机制描述了载流子如何通过这些态产生，这一过程在耗尽区内尤为显著。其净产生率与材料中的陷阱密度（Nt）直接相关。与扩散电流相比，SRH产生的暗电流对温度的依赖性略弱，通常表现为激活能约为Eg/2的特征。在缺陷密度较高的材料或器件中，SRH电流往往是暗电流的主要来源。
2.3. 陷阱辅助隧穿（TAT）电流
在高反向偏压下，耗尽区内的电场增强，载流子可能通过量子力学隧穿效应穿过禁带。陷阱辅助隧穿是其中一种机制，电子（或空穴）可以借助禁带内的陷阱态作为“阶梯”，分步隧穿完成从价带到导带的跃迁。TAT电流强烈依赖于电场和陷阱特性，在低温、高偏压条件下尤其显著，并且其对温度的依赖性较弱。
2.4. 带间隧穿（BTBT）电流
在极高的电场下，电子可以不借助任何陷阱，直接从价带隧穿到导带，这就是带间隧穿。BTBT电流具有极强的电场依赖性，其值随电场呈指数增长。在掺杂浓度极高、结区极窄的器件（如雪崩光电二极管的工作区）中，BTBT可能成为主要的暗电流机制。
2.5. 表面泄漏电流
半导体表面存在大量的悬挂键和不饱和化学键，形成高密度的界面态，这些态就像体内的SRH陷阱一样，可以成为载流子产生中心。表面泄漏电流起源于这些表面态，与器件的几何形状、表面处理和钝化质量密切相关。在器件尺寸不断缩小的今天，表面与体积之比增大，使得表面泄漏的影响更为突出。
暗电流的总和是上述五种机制贡献的叠加。哪种机制占主导，取决于温度、反向偏压、材料晶体质量、器件几何结构和操作条件的复杂耦合。
3. 暗电流抑制策略
为了降低暗电流，研究者们从多个维度发展了一系列策略。
3.1. 热管理
由于大多数暗电流机制（尤其是扩散和SRH）对温度极为敏感，最简单有效的方法就是降低器件工作温度。低温冷却被广泛应用于高性能红外探测器和单光子探测器。
3.2. 表面钝化
表面钝化旨在饱和表面悬挂键，降低界面态密度。原子层沉积（ALD）的氧化铝（Al2O3）薄膜因其优异的钝化效果，在硅和III-V族光电二极管中得到了广泛应用。其他钝化材料如SiO2、SiNx以及硫化物钝化等也被深入研究。
3.3. 保护环结构
保护环是一种围绕在主光电二极管结周围的额外pn结或环形结构，用于收集从器件边缘或衬底扩散过来的少数载流子，防止它们进入有源区。保护环可以设计为接地、浮空或与主结结合等多种配置，是抑制边缘泄漏和表面电流的有效设计手段。
3.4. 吸杂与缺陷工程
通过吸杂工艺（如磷吸杂、本征吸杂）将金属杂质和缺陷从有源区吸引到芯片边缘或指定区域，可以显著降低体SRH产生中心的浓度。优化晶体生长和器件制造工艺以减少原生缺陷，也是根本性的抑制方法。
3.5. 掺杂分布优化
精心设计pn结的掺杂浓度和分布，可以控制耗尽区宽度和内部的电场强度。通过降低峰值电场，可以有效抑制TAT和BTBT电流。采用渐变掺杂或插入本征层的PIN结构，是常用的优化手段。
3.6. 偏压管理
对于特定的器件和应用，存在一个最佳的反向偏置电压工作点。在此点，光电二极管的信噪比（或探测率D*）达到最大。过高的偏压虽然能提高响应速度，但也可能诱发隧穿电流，导致总噪声增加。
3.7. 先进器件架构
一些特殊的器件设计本身就具有低暗电流的优势。例如，钉扎光电二极管（PPD）在CMOS图像传感器中广泛应用，其独特的结构能有效抑制表面产生和暗电流。黑硅结构通过形成纳米级表面纹理，在增加光吸收的同时，也可能通过改变表面电场和复合动力学来影响暗电流。
4. 材料平台与应用
综述重点覆盖了多种材料体系和应用场景。硅基光电二极管是CMOS成像和消费电子的基石，其暗电流控制是提升图像质量的关键。锗和III-V族化合物（特别是InGaAs/InP）是近红外通信和传感的主力，其窄带隙特性使得暗电流抑制挑战更大。新兴材料如锗锡（GeSn）合金、二维范德华异质结等，为拓展探测波段和实现新功能提供了可能，但其暗电流特性仍需深入研究。在单光子雪崩二极管（SPAD）和飞行时间（ToF）测距系统中，极低的暗计数率（即暗电流的离散表现形式）是实现高灵敏度探测的前提，因此暗电流的抑制是这些技术的核心。
综上所述，暗电流是光电二极管性能的根本限制因素，其来源复杂，与材料和工艺紧密相关。通过深入理解其物理机制，并综合运用热管理、表面钝化、器件设计和工艺优化等多种手段，可以有效地抑制暗电流，从而不断提升光电探测器在低光探测、高速成像、精密测量等领域的性能极限。
