硅基波导共振增强型光电探测器的设计与模拟

SiGe是间接带隙材料,吸收系数非常小,因而SiGe探测器在红外波段的量子效率很低.本文提出一种新型的探测器结构,即波导共振增强型光电探测器,该器件主要由两个介质布拉格反射镜和波导吸收区构成,器件尺寸较传统波导型探测器大为减小,吸收区的长度不受SiGe临界厚度的限制,实现了量子效率和响应速度的优化.本文在数值模拟的基础上,对器件结构进行了优化设计,结果表明7.6μm长的波导探测器可以得到20%以上的量子效率.     

SiGe/Si单光子雪崩光电二极管仿真

通过理论模拟CMOS工艺兼容的SiGe/Si 单光子雪崩二极管,研究并讨论了掺杂条件对于电场分布、频宽特性、以及器件量子效率的影响。设计出具有浅结结构、可在盖革模式下工作、低击穿电压(30 V)的1.06 m单光子技术雪崩光电二极管。器件采用分离吸收倍增区结构,其中Si材料作为倍增区、SiGe材料作为吸收区,这充分利用了硅材料较高的载流子离化比差异,降低了器件噪声;在1.06 m波长下,SiGe探测器的量子效率为4.2%,相比于Si探测器的效率提高了4 倍。仿真表明优化掺杂条件可以优化电场分布,从而在APD击穿电压处获得更好的带宽特性。     

Si基多量子阱SiGe/Si波导光电探测器的制备和研究

采用分子束外延MBE技术,在Si衬底上外延 高质量的20周期SiGe/Si多量子阱(MQW)层;以SiGe/Si MQW材料作 为吸收区,在Si基上制备波导型PIN光电探测器;金 属Al制作在器件的台面上下,形成金属-半导体肖特基接触。测试结果表明,器件在－2V偏压 下,对台面面积为7500μm²,暗电流为0.1μA;在0V偏压下,探测器的光响应谱的吸收 峰值为1008nm,并可以观察到随着吸收长度的 增大,响应信号也随之增大。     

1064nm RCE探测器光电响应特性分析

对1064nm谐振腔增强型(RCE)光电探测器(PD)的光电响应特性进行了分析研究.利用MBE生长技术得到有源区分别为量子阱和量子点的1064nm RCE探测器的外延片,并对制作的探测器进行了各种光电特性测试.结果表明量子阱结构的RCE探测器量子效率峰值达到57%,谱线半宽6～7nm,峰值波长1059nm;而量子点结构的RCE探测器量子效率峰值达到30%,谱线半宽5nm,峰值波长1056nm.通过分析量子效率和吸收系数之间的关系,对两种结构器件的吸收进行了比较,发现虽然量子点探测器的吸收小,但通过合理设计共振腔等方法也可以达到较高的量子效率.两种结构的器件都有很好的I-V特性.     

新型结构的1．3μm Ge_xSi_（1－x）／Si MQW波导探测器的优化设计

本文首次提出了一种新型的环形ＧｅｘＳｉ（１－ｘ）／Ｓｉ波导探测器结构．器件的主体由３μｍ宽的环形波导构成．器件的输入端是８μｍ宽的波导．这两部分通过劈形波导过渡连接，各部分经过优化设计，可以同时实现高的耦合效率和高内量子效率．对于器件的材料结构、电学和光学特性进行了仔细的分析与设计．结果表明，优化设计的器件其外量子效率可达２８％，比已经报道的直波导探测器的外量子效率提高２～３倍．而上升下降时间仍然保持在１１０ｐｓ左右．     

一种新型双吸收层光探测器的设计和分析

PIN光探测器是光纤通信系统和网络中的关键器件.量子效率和响应带宽是衡量光探测器性能的重要指标,并且这两个参数都与器件的吸收层密切相关.为了提高光探测器的性能,提出了一种新型双吸收层光探测器(即PINIP结构),利用侧腐蚀工艺减小双吸收层光探测器吸收层的结面积.对其性能进行了理论研究,结果表明该器件的量子效率达到了93％,同时响应带宽达到了26 GHz,比传统结构的双吸收层光探测器提高了44％.     

新型结构的1.3μmGexSi1—x／SiMQW波导探测器的优化设计

本首次提出了一种新型的环形ＧｅｘＳｉ１－ｘ／Ｓｉ波导探测器结构，器件的主体由３μｍ宽的环形波导构成，器件的输入端是８μｍ宽的波导，这两部分通过劈形波导过渡连接，各部分经过优化设计，可以同时实现高的耦合效率和高内量子效率，对于器件的材料结构，电学和光学特性进行了仔细的分析与设计，结果表明，优化设计的器件其外量子效率可达２８％，比已经报道的直波导探测器的外量子效率提高２－３倍，而上升下降时间仍然保持     

1064nm RCE探测器光电响应特性分析

对1064nm谐振腔增强型（RCE）光电探测器(PD)的光电响应特性进行了分析研究．利用MBE生长技术得到有源区分别为量子阱和量子点的1064nm RCE探测器的外延片,并对制作的探测器进行了各种光电特性测试．结果表明量子阱结构的RCE探测器量子效率峰值达到57%,谱线半宽6～7nm,峰值波长1059nm;而量子点结构的RCE探测器量子效率峰值达到30%,谱线半宽5nm,峰值波长1056nm．通过分析量子效率和吸收系数之间的关系,对两种结构器件的吸收进行了比较,发现虽然量子点探测器的吸收小,但通过合理设计共振腔等方法也可以达到较高的量子效率．两种结构的器件都有很好的Ｉ-Ｖ特性．     

Si基Ge薄膜共振腔增强型光电探测器的设计与模拟

设计了Si衬底上Ge薄膜共振腔增强型光电探测器的器件结构,理论计算了上下反射镜Si/Si O2的对数、吸收区Ge薄膜的厚度、有源区面积等参数对器件的外量子效率、带宽等性能的影响。当器件上下反射镜Si/Si O2的对数分别为2和3,Ge薄膜的厚度为0.46μm,器件的台面面积小于176μm2时,探测器在中心波长1.55μm处的外量子效率达到0.64,比普通结构提高了30倍,同时器件的带宽达到40 GHz。     

长波带间级联探测器结构设计

针对带间级联结构在长波探测上的设计应用,采用包络函数近似下的二带模型和传输矩阵方法,考虑电子和轻空穴耦合,计算了带间级联结构多量子阱弛豫区的E-k关系和详细能带信息.特别优化了弛豫区结构,在保证光生载流子在弛豫区中隧穿几率的前提下首次利用周期性量子阱结构拓展弛豫区厚度,降低吸收区中电场强度,抑制产生复合电流和隧穿电流,提高器件电学性能.制备的该两级结构长波带间级联探测器10. 5μm处量子效率达到了20%,证实了弛豫区与隧穿区具有良好的光生载流子输运.器件在80 K下50%截止波长为11. 5μm,是目前所见报道中带间级联结构在80 K工作温度下所获得最长波长的红外探测器.     

A high-efficiency 50 GHz InGaAs multimode waveguide photodetector

A side-illuminated p-i-n photodetector with a multimode waveguide structure is proposed. Numerical and experimental results show that higher-order mode lights greatly enhance the coupling efficiency between the waveguide photodetector (WGPD) and a fiber, which leads to a high external quantum efficiency. The multimode WGPD has the major advantage that the external quantum efficiency and bandwidth can be derived independently of each other because the multimode waveguide structure can be designed without deteriorating electrical properties. The fabricated WGPD has an external quantum efficiency of 56% without AR coating and 68% with AR coating, and an electrical frequency 3 dB greater than 50 GHz at a 1.55-μm wavelength     

谐振腔增强型光探测器的高速响应性能研究

高速长波长光探测器是高速光纤通信系统和网络的关键器件，它要求光探测器具有宽的频率响应带宽和高量子效率。常用的PIN光探测器由于量子效率和高速性能均受到吸收层厚度的牵制，使得二者相互制约，成为一对矛盾。谐振腔增强型(RCE)光探测器为这一矛盾的解决提供了有效的方案。基于谐振腔增强型光探测器的实际设计和制作模型，分析了器件吸收层中的光场分布，并将其运用于载流子的连续方程，从理论上详细地分析了器件的高速响应特性，给出了计算结果。针对研制的高速长波长谐振腔增强型光探测器，进行了理论分析和实际器件测试的结果比较，得到了比较一致的结果。     

CMOS兼容近红外Si0.7Ge0.3/Si p-i-n(SOI)光电探测器

报道了一种采用UHV/CVD锗硅工艺和CMOS工艺流程在SOI衬底上制作的横向叉指状Si0.7Ge0.3/Si p-i-n光电探测器.测试结果表明:其工作波长范围为0.7～1.1μm,在峰值响应波长为0.93μm,响应度为0.38A/W.在3.0V的偏压下,其暗电流小于1nA,寄生电容小于1.0pF,上升时间为2.5ns.其良好的光电特性以及与CMOS工艺的兼容性,为研制能有效工作于近红外光的高速、低工作电压硅基光电集成器件提供了一种新的尝试,在高速光信号探测等应用中有一定的价值.     

CMOS兼容近红外Si0.7Ge0.3/Si p-i-n(SOI)光电探测器

报道了一种采用UHV/CVD锗硅工艺和CMOS工艺流程在SOI衬底上制作的横向叉指状Si0.7Ge0.3/Si p-i-n光电探测器.测试结果表明:其工作波长范围为0.7～1.1μm,在峰值响应波长为0.93μm,响应度为0.38A/W.在3.0V的偏压下,其暗电流小于1nA,寄生电容小于1.0pF,上升时间为2.5ns.其良好的光电特性以及与CMOS工艺的兼容性,为研制能有效工作于近红外光的高速、低工作电压硅基光电集成器件提供了一种新的尝试,在高速光信号探测等应用中有一定的价值.     

A selective epitaxial SiGe/Si planar photodetector for Si-basedOEIC's

A P-i-N SiGe/Si superlattice photodetector with a planar structure has been developed for Si-based opto-electronic integrated circuits. To make the planar structure, a novel SiGe/Si selective epitaxial growth technology which uses cold wall ultrahigh-vacuum/chemical vapor deposition has been newly developed. The P-i-N planar SiGe/Si photodetector has an undoped 30-Å Si_0.9Ge_0.1/320-Å Si, 30 periods, superlattice absorption layer, a 0.1-μm P-Si buffer layer, and a 0.2-μm P⁺-Si contact layer on a bonded silicon-on-insulator (η_ext). The bonded SOI is used to increase the external quantum efficiency (η_ext) of the photodetector. Moreover, a 63-μm deep/128-μm wide trench, to achieve simple and stable coupling of an optical fiber to the photodetector, is formed in the silicon chip. The P-i-N planar photodetector exhibits a high η_ext of 25-29% with a low dark current of 0.5 pA/μm² and a high-frequency photo response of 10.5 GHz at λ=0.98 μm     

长波长锗硅光电探测器的材料生长研究

介绍了应变SiGe层的特性,包括SiGe应变层临界厚度与Ge组分的关系,能带变窄,折射率增加以及应变SiGe层的亚稳态特性.然后从材料生长方面入手,提出了4种改善长波长锗硅光电探测器性能的方案,包括采用生长缓冲层来减小位错的方法、生长高组分表面起伏多量子阱的方法和生长Ge岛超晶格的方法,随之给出了相关的实验结果,并对这4种方案进行了分析.最后对上述内容进行小结,并对Ge量子点共振腔增强型光电探测器的应用前景进行了探讨与展望.     

太赫兹Si/SiGe量子级联激光器波导模拟

波导层结构设计是制备太赫兹(THz)量子级联激光器的关键问题之一.本文基于德鲁得(Drude)模型,利用时域有限差分(FDTD)法,对Si/SiGe量子级联激光器的波导层进行优化设计,从理论上对传统的递变折射率波导、单面金属波导、双面金属波导以及金属/金属硅化物波导横磁模(TM模)的模式损耗和光场限制因子进行了对比分析.结果表明,金属/金属硅化物波导不但可以减小波导损耗,而且有很高的光学限制因子,同时其工艺也比双面金属波导容易实现,为Si/SiGe太赫兹量子级联激光器波导层的设计提供了一定的理论指导.     

Metal-semiconductor-metal demultiplexing waveguide photodetectors in InGaAs/GaAs quantum well structures by selective bandgap tuning

A two-wavelength demultiplexing metal-semiconductor-metal (MSM) waveguide photodetector has been fabricated using impurity-free vacancy diffusion and partial intermixing of an InGaAs/GaAs strained layer quantum well structure. The importance of growth and process parameters, such as aluminium composition in the cladding layer and the oxygen plasma treatment of the sample during processing, on the related device performance is discussed. This photodetector is a potential candidate for monolithic integration with other optoelectronic devices.<>     

Amorphous SiGe:H photodetectors on glass optical waveguides

Amorphous SiGe:H thin-film photodetectors integrated with ion-exchanged optical waveguides on glass are discussed. The lateral coupling between single-mode waveguide and detector is provided via an intermediate indium-tin-oxide transparent electrode located above the waveguide, followed by a p-i-n photodetector. The optical coupling between waveguide and detector depends strongly on the polarization of the incoming optical mode in the waveguide. Using a random optical bitstream in the waveguide, the detector, which is not yet optimized, responds to signals up to about 20 Mb/s NRZ (nonreturn-to-zero)     

三元合金锗硅碳的器件应用研究

碳的加入改进了锗硅材料的性能 ,同时也为半导体器件的研制开发创造了条件 ,增加了硅基器件设计的灵活性。本文介绍了 Si Ge C材料在硅基器件方面的应用 ,包括光探测器、MOS场效应晶体管、HBT等。