光探测器偏压调制技术的理论研究

为了简化和改善光载无线通信系统,提出了一种光探测器偏压调制技术,利用PIN光探测器(PIN-PD)和单行载流子光探测器(UTC-PD)的输出光电流随偏压变化的特性进行调制.采用光探测器偏置调制技术,光电探测和调制可以在一个光探测器上同时实现.研究表明当入射光功率为2.93dBm时,PIN-PD在10GHz射频副载波上的调制带宽为800 MHz,UTC-PD在150GHz射频副载波上的调制带宽为18.75GHz.调制带宽随入射光功率的增大而增大,当入射光功率为12.93dBm时,UTC-PD在150GHz射频副载波上的调制带宽可达25GHz.调制深度与正弦偏压调制信号的最小值有关.     

单行载流子光电探测器中空间电荷屏蔽效应理论分析和实验研究

本文优化设计和外延生长了一种单行载流子(UTC)光电探测器有源区结构,并且采用微电子工艺制备了台面尺寸为30μm的UTC光电探测器.同时,采用了漂移-扩散模型对该有源区结构进行了理论模拟,从载流子浓度和空间电场角度重点分析研究了空间电荷屏蔽效应对UTC光电探测器直流饱和特性影响的物理机理.UTC光电探测器理论模拟结果与实测数据基本相符.     

基于感光栅极GaN高迁移率晶体管的新型探测器制备与优化（英文）

利用GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的栅控特性和锆钛酸铅(PZT)铁电薄膜的光伏效应,在HEMT器件的栅极处沉积一层PZT铁电薄膜,提出了一种新型的(光敏感层/HEMT)探测结构.为制备出光伏性能优异的薄膜,对不同的溅射功率和退火温度制备的PZT铁电薄膜进行表面形貌和铁电性能分析.发现200 W溅射功率、700℃的退火温度制备的薄膜表面晶粒生长明显,剩余极化强度为38.0μC·cm-2.工艺制备GaN基HEMT器件并把PZT薄膜沉积到器件栅极上.在无光和365nm紫外光照射下对有、无铁电薄膜的HEMT探测器的输出特性进行测试.结果显示,在光照时,有铁电薄膜的HEMT器件相较于无光时,源-漏饱和电压最多降低3.55V,饱和电流最多增加5.84mA,表明新型感光栅极HEMT探测器对紫外光具有优异的探测效果.为实现对新型探测器的结构进行优化的目的,对栅长为1μm、2μm和3μm等不同栅长的探测器进行光照测试.结果表明,在紫外光照射下,三种探测器的漏极饱和电流分别为23mA、20mA和17mA,所以栅长越长器件的饱和电流越小,探测性能越差.     

p-i-nInP/In_(0.53)Ga_(0.47)As/InP探测器结构优化

利用半导体仿真工具Silvaco对p-i-n InP/In_(0.53)Ga_(0.47)As/InP近红外光探测器进行优化仿真.参考实际器件对红外探测器进行建模,并将其暗电流、光谱响应仿真结果与实验结果进行拟合,保证仿真结果的有效性.以减小探测器的暗电流为目的,优化其结构.针对探测器吸收层厚度和吸收层掺杂浓度对暗电流、光响应的影响进行研究,发现当吸收层厚度大于0.3μm后,暗电流不再上升,但光响应随着吸收层厚度的增加而增大;当吸收层掺杂浓度不断上升时,器件暗电流不断降低,当掺杂浓度上升到2×1017/cm3时,暗电流达到最低值.本文还研究了p-i-n型探测器的瞬态响应,探究了响应速度与反偏电压之间的关系,发现提高反偏电压能减小探测器响应时间.     

单载流子光电探测器的高速及高饱和功率的研究

利用载流子漂移-扩散模型, 模拟并分析了InGaAs/InP单载流子光电探测器(Uni-traveling-carrier/UTC-PD) 在不同条件下的物理特性及其带宽和饱和特性, 结合器件实验结果分析了影响器件高速和高饱和性能的物理机理. 结论表明在吸收区采用浓度渐变掺杂和增加InP崖层(cliff layer), 可以显著提升器件饱和特性, 高入射功率下吸收区电场崩塌是器件饱和的直接因素, 直径大于20 μm的UTC探测器中RC常数仍是影响带宽的主要因素. 论文指出了优化器件结构、 提升器件性能的有效方法.     

CdZnTe平面探测器对低能X/γ射线的光谱响应

基于3片不同条件下生长的CdZnTe晶片制备出平面电极(Planar)探测器CZT1、CZT2及CZT3.分析室温下3个探测器在不同场强作用下对低能X/γ射线的光谱响应,并结合相应晶体材料的载流子迁移特性和掺杂剂的浓度以及存在状态,归纳影响探测器分辨率的原因.掺杂In浓度高的探测器CZT1,由于材料中存在的深能级缺陷Cd2+i,作为电子的俘获中心,影响了载流子的收集效率,进而降低了探测器的能量分辨率;掺杂In浓度低的探测器CZT2对不同能量X/γ射线均具有较好的能量分辨率;而Al掺杂探测器CZT3,由于Al间隙原子Ali的存在作为电子的散射中心,最终影响了收集效率及能量分辨率.     

InAlAs浓度对In_(0.83)Al_(0.17)As/In_(0.83)Ga_(0.17)As红外探测器特性的影响北大核心CSCD

红外探测器的性能受内部结构各层掺杂浓度的影响,而倍增层掺杂浓度会明显改变器件的性能。为了降低暗电流,提高器件性能,采用三元化合物In_(0.83)Al_(0.17)As作为倍增层材料,借助仿真软件Silvaco详细研究了In_(0.83)Al_(0.17)As/In_(0.83)Ga_(0.17)As红外探测器的倍增层掺杂浓度对器件电场强度、电流特性和光响应度的影响规律。结果表明,随着倍增层掺杂浓度的增加,器件倍增层内的电场强度峰值增加,同时,器件的暗电流与光响应度减小。进一步研究发现,当倍增层掺杂浓度为2×10^(16) cm^(−3)时,器件获得最优性能,暗电流密度为0.62144 A/cm^(2),在波长为1.5μm时,光响应度和比探测率分别为0.9544 A/W和1.9475×10^(9) cmHz^(1/2)W^(−1)。     

高性能SOI基GePIN波导光电探测器的制备及特性研究

本文报道了在SOI衬底上外延高质量单晶Ge薄膜并制备高性能不同尺寸Ge PIN波导光电探测器.通过采用原子力显微镜、X射线衍射、拉曼散射光谱表征外延Ge薄膜的表面形貌、晶体质量以及应变参数,结果显示外延Ge薄膜中存在约0.2%左右的张应变,且表面平整,粗糙度为1.12 nm.此外,通过暗电流、光响应度以及3 dB带宽的测试来研究波导探测器的性能,结果表明尺寸为4μm×20μm波导探测器在-1 V的反向偏压下暗电流密度低至75 mA/cm~2,在1.55μm波长处的响应度为0.58 A/W,在-2 V的反向偏压下的3 dB带宽为5.5 GHz.     

极化效应对AlGaN/GaN异质结p-i-n光探测器的影响

基于等效薄层电荷近似模拟表征极化电荷的作用, 通过自洽求解Poisson-Schrödinger方程以及求解载流子连续性方程, 计算并且讨论了p-AlGaN层掺杂浓度和界面极化电荷对AlGaN/GaN异质结p-i-n紫外探测器能带结构和电场分布以及光电响应的影响. 结果表明, 极化效应与p-AlGaN层掺杂浓度相互作用对探测器性能有较大影响. 其中, 在完全极化条件下, p-AlGaN层掺杂浓度越大, p-AlGaN层的耗尽区越窄, i-GaN层越容易被耗尽, 器件光电流越小. 在一定掺杂浓度条件下, 极化效应越强, p-AlGaN层的耗尽区越宽, 器件的光电流越大. 最后还分析了该结构在不同温度下的探测性能, 证明了该结构可以在高温下正常工作.     

基于选区外延技术的单片集成阵列波导光栅与单载流子探测器的端对接设计

选区外延技术是实现有源与无源光器件单片集成的一种有效的工艺手段,但同时对两种器件在异质生长界面处的对接结构提出了更高的设计要求.本文通过选区外延技术实现了InP基O波段4通道阵列波导光栅与单载流子探测器的单片集成.通过光学仿真重点研究了选区外延后界面处形貌对无源波导结构与有源光探测器间光耦合效率的影响,包括伸长的光学匹配层、二次外延生长边界位置、波导刻蚀边界位置等因素.研究结果表明,在保证二次外延生长边界对准异质对接界面时,将光学匹配层伸出探测器前端10μm并与外延边界无缝对接既可以保证高效的光传输效率(或探测器量子效率),又可以避免外延界面处的异常生长对器件制备工艺的影响,保证生长工艺与器件制备工艺的兼容性.成功制备的单片集成芯片具有高达76%的探测器量子效率,证明了对接方案的有效性.同时,集成芯片的低串扰(-22 dB)与解复用特性展示出其作为解复用光接收芯片具有巨大潜力.     

单载流子传输的双异质结光敏晶体管探测器的研究

基于器件仿真器Atlas, 建立了InP/InGaAsP单向载流子传输的双异质结光敏晶体管(UTC-DHPT)的二维模型, 分析讨论了器件性能与外延结构参数的关系. 设计出同时具有高响应度(≥17.93 A/W)和高特征频率(≥121.68 GHz)的UTC-DHPT, 缓解了传统的异质结光敏晶体管光电探测器中探测效率和工作速度的矛盾. 关键词： 单向载流子 光敏晶体管 电流放大倍数 响应度     

High-performance evanescently-coupled uni-traveling-carrier photodiodes

A new evanescently-coupled uni-traveling-carrier photodiode (EC-UTC PD) based on a multimode diluted waveguide (MDW) structure is fabricated, analysed and characterized. Optical and electrical characteristics of the device are investigated. The excellent characteristics are demonstrated such as a responsivity of 0.36~A/W, a bandwidth of 11.5~GHz and a small-signal 1-dB compression current greater than 18~mA at 10~GHz. The saturation current is significantly improved compared with those of similar evanescently-coupled pin photodiodes. The radio frequency (RF) bandwidth can be further improved by eliminating RF losses induced by the cables, the probe and the bias tee between the photodiode and the spectrum analyzer.     

High bandwidth surface-illuminated InGaAs/InP uni-travelling-carrier photodetector

Uni-traveling-carrier photodiodes(UTC-PDs)with ultrafast response and high saturation output are reported.A gradient doping layer and a narrow InP cliff layer were introduced to enhance the saturation and bandwidth characteristics.We measured the dark current,photo response,bandwidth,and saturation current of the fabricated UTC devices.For a15-μm-diameter device,the dark current was 3.5 nA at a reverse bias of 1 V,and the 3-dB bandwidth was 17.2 GHz at a reverse bias of 5 V,which are comparable to the theoretically values.The maximum responsivity at 1.55μm was 0.32 A/W.The saturation output current was over 19.0 mA without bias.     

Optical saturation characteristics of dual-and single-injection Ge-on-Si photodetectors

The optical saturation characteristics in the germanium-on-silicon(Ge-on-Si) photodetector are studied for the first time, to the best of our knowledge. The relationship between the optical saturation characteristics and the optical field distribution in the Ge layer is illustrated by the simulation. This theory is verified by comparative experiments with single-injection and dual-injection structures. The dual-injection photodetector with a more balanced and uniform optical field distribution has a 13% higher responsivity at low optical power and 74.4%higher saturation current at 1550 nm. At higher optical power, the bandwidth of the dual-injection photodetector is five times larger than that of the single-injection photodetector.     

Study on the saturation characteristics of high-speed uni-traveling-carrier photodiodes based on field screening analysis

A back-illuminated mesa-structure InGaAs/InP charge-compensated uni-traveling-carrier(UTC) photodiode(PD) is fabricated,and its saturation characteristics are investigated.The responsivity of the 40-μmdiameter PD is as high as 0.83 A/W,and the direct current(DC) saturation current is up to 275 mA.The 1-dB compression point at the 3-dB cutoff frequency of 9 GHz is measured to be 100 mA,corresponding to an output radio frequency(RF) power of up to 20.1 dBm.According to the calculated electric field distributions in the depleted region under both DC and alternating current(AC) conditions,the saturation of the UTC-PD is caused by complete field screening at high optical injection levels.     

采用Al/TaN叠层电极提高Si基Ge PIN光电探测器的性能

金属与Ge材料接触由于存在强烈的费米钉扎效应, 导致金属电极与n型Ge接触引入较大的接触电阻, 限制了Si基Ge探测器响应带宽. 本文报道了在SOI衬底上外延Ge单晶薄膜并制备了不同台面尺度的Ge PIN光电探测器. 对比了电极分别为金属Al和Al/TaN叠层的具有相同器件结构的SOI基Ge PIN光电探测器的暗电流、响应度以及响应带宽等参数. 发现在Al与Ge之间增加一薄层TaN可有效减小n型Ge的接触电阻, 将台面直径为24 μ的探测器在1.55 μ的波 长和-1 V偏压下的3 dB响应带宽提高了4倍. 同时, 器件暗电流减小一个数量级, 而响应度提高了2倍. 结果表明, 采用TaN薄层制作金属与Ge接触电极, 可有效钝化金属与Ge界面, 减轻费米钉扎效应, 降低金属与n-Ge接触的势垒高度, 因而减小接触电阻和界面复合电流, 提高探测器的光电性能.     

Millimeter-wave opto-electronic devices based on waveguide photodiodes

Recent developments in high-speed photodetectors show a trend toward high efficiency and high output voltage. The waveguide photodiode is a powerful tool for achieving both the objectives – it has a bandwidth of more than 100GHz and an efficiency of 50%. The recently developed uni-traveling-carrier structure has boosted the output voltage of the waveguide photodiode up to 1.3V, which is high enough for directly operating a digital circuit. Another trend is toward reducing the receiver cost. As opto-electronics-integrated-circuit technology based on the waveguide photodiode becomes mature and its speed reaches the 40-GHz region, it will play an important role in constructing future high-speed systems at low cost.