重庆光电技术研究所部分新产品简介

GT5560T型InGaAs/InP APD一工作原理该器件是一种反偏置工作器件。在高反偏压作用下器件“拉通”,光照下吸收区所产生的光生载流子越过异质结在倍增高电场加速下,高速撞击半导体材料晶格产生新的电子-空穴对,这种过程不断重复,产生雪崩倍增,从而获得放大的信号电流。二结构及特点     

高精度雪崩光电二极管偏置电源

目前,红外单光子的检测主要是采用工作在盖革模式下的InGaAs雪崩光电二极管（APD）来实现的：APD被偏置到雪崩击穿电压之上,这时APD的倍增因子趋近于无穷大,一个光生载流子将触发一个巨观的雪崩脉冲,供后级电路进行单光子判读。因为APD的倍增因子随偏置电压的增大而急剧增大,在盖革模式下,偏置电压的微小变化,都会导致APD输出特性的极大变化。文中提出了一种采用开关电源和线性稳压电源相结合的高精度APD偏置电源方案,测量电路输出电压为45V时,温度系数为1.1mV/℃,纹波电压为100μV。     

空穴主导雪崩倍增的短波长SiC紫外单光子探测器

制备并分析了SiC nip雪崩光电二极管（APDs）雪崩倍增的物理机制。与280 nm紫外光相比，在240 nm紫外光入射时，SiC nip APD表现出更高的增益和更大的单光子探测效率。在240 nm紫外光入射时，SiC nip APD表现为空穴主导碰撞离化过程，随着入射光波长增加到280 nm，电子和空穴共同主导碰撞离化过程。由于SiC中空穴的碰撞离化系数大于电子，空穴主导的碰撞离化过程将具有更大的光子雪崩概率和更高的增益。因此，得益于空穴主导雪崩倍增过程，SiC nip APD更适用于短波长紫外光探测。     

多级倍增超晶格InGaAs雪崩光电二级管的增益-噪声特性

重点研究了多级倍增超晶格InGaAs雪崩光电二级管(APD)的增益和过剩噪声,建立了新的载流子增益-过剩噪声模型。在常规弛豫空间理论基础上分析了其工作原理,考虑了预加热电场和能带阶跃带来的初始能量效应、电子进入高场倍增区时异质结边界附近的弛豫空间长度修正以及声子散射对碰撞离化系数的影响,提出了用于指导该类APD的增益-过剩噪声计算的修正弛豫空间理论。结果表明:在相同条件下,相比于常规的单层倍增SAGCM结构,多级倍增超晶格InGaAs APD同时具有更高增益和更低噪声,且修正的弛豫空间理论可被推广到更多级倍增的超晶格InGaAs APD结构,在保证低噪声前提下,通过增加倍增级数可提高增益。     

渠道式雪崩光电二极管——一种最新式的超低噪声叉指式p-n结探测器

提出了一种新的雪崩光电二极管概念—渠道式APD。用一种新的叉指式p-n结结构,将电子和空穴从存在的空间分开,使其在不同的带隙层内碰撞离化。这样,通过选择适当的带隙差,就能使有效离化率比达到很高(K=α/β>100),从而保持高增益。K值在很大的范围内,这种器件就类似于渠道式光电倍增器,用大多数Ⅲ-Ⅴ族材料制作的晶格匹配的异质结,包括光通信用长波长(1.3≤λ<1.6μm)材料,都可以制作这种结构。本文详细讨论了使用Al_(0.45) Ga_(0.55)As/GaAs,InP/In_(0.53)Ga_(0.475)As和AIAs_(0.92)/GaSb异质结制作的三种渠道式APD的设计。这种结构的另一个重要特点是独特的电容—电压特性,在用作变容二极管时,这一点是很重要的。叉指式结构可以使掺杂浓度高达10~(17)/cm~3的半导体材料大量耗尽,这种新型的半导体器件在FET和集成p-i-n-FET接收器方面也有一些引人注目的用途。它还可以用来研究大电场范围内的高场输送过程(即漂移速度)。     

超晶格雪崩光电二极管

已经提出了几种可以提高载流子离化率比的超晶格雪崩光电管:量子阱雪崩光电管、台阶型雪崩光电管和掺杂量子阱雪崩光电管。这几种器件都主要是利用异质界面带隙突变导致的电子离化几率相对于空穴离化几率的显著增大,从而可以获得低的雪崩噪声和高的增益—带宽乘积。本文概述了这几种器件的结构、工作原理以及结构参量对器件性能的影响。     

混合式光电探测器

混合式探测器(Hybrid Photodetector,HPD)作为一种新型的光电探测器件,是真空与半导体类结合型探测器件。HPD包括沉积在输入光窗表面的光电探测阴极、固态半导体阳极芯片和保持系统真空度的固态阳极。工作时,光信号通过沉积在输入光窗表面的光电阴极转化为光电子,经过高能电场加速后获得高能量轰击阳极半导体芯片表面,产生大量的电子空穴对,电子空穴对在半导体内部进行迁移,并通过自身的雪崩效应实现倍增,最终以电流信号输出。该探测器摒弃了传统的光电倍增管的微通道板(Micro Channel Plate,MCP)等倍增器件,克服了倍增单元信号易饱和的缺陷,增大了探测器的动态范围。HPD探测器综合了光电倍增管的高灵敏度和半导体芯片优异的空间和能量分辨率,具有探测面积大、探测灵敏度高、倍增效应强、动态范围宽等优点。在高能物理、医学成像和天体物理中有着重要的应用。此外,该探测器具有多种结构,分为近贴聚焦结构、交叉聚焦结构和漏斗聚焦结构,能够满足不同使用范围的探测需求;随着半导体阳极技术的发展,HPD阳极从单一芯片逐渐过渡到阵列式阳极结构,满足了大面积探测的需求。同时数字式读出和倍增信号技术的封装技术的发展,提高了HPD探测器的信号倍增和读出速度,改善了器件的集成化程度,有利于探测信号读出速率和信噪比的提升。近年来,其单光子计数和高动态响应等能力逐步被重视,将会在未来的光电探测领域发挥更为重要的作用。     

用分子束外延方法制造的具有高-低电场分布,吸收区和倍增区分开结构的低暗电流,低压1.3～1.6μm雪崩光电二极管

<正> Bell 实验室最近从实验上证实了具有高-低电场分布,吸收区和倍增区分开的异质结雪崩光电二极管(HI-LO SAM)的工作特性。以宽带隙层中有一掺杂峰为特点的新型结构与普通的 SAM APD(暗电流和过剩噪声因子较低,增益稳定性较高)相比有几方面的优点。     

光接收器件

随着信息处理社会的发展,对研制更长距离、大容量的1μm波段光通信系统的要求更加强烈了,要实现这个目标就需要灵敏度更高的光接收器件。现在正在研制二种器件,一种是把以前的锗雪崩光电二极管进行改进的(Ge-APD);另一种是新结构APD,包括使用InP系或GaSb系材料的超晶格APD、缓变带隙APD、或使用共振电离现象的APD。这些器件都有可实现以前的APD不能得到的低噪声特性,我们认为它们是新一代的光接收器件。但是,现在仅仅处于研究的开始,要用于光通信系统还需要相当长时间。目前要提高光接收器件的灵敏度就要对前面叙述的Ge-APD进行改进,或研制使用新材料InGaAs的APD,这二种器件的工作原理与以前的APD相同。本文仅就这二种器件的最新成果作一评述。     

4H-SiC 雪崩光电探测器中倍增层参数的优化模拟

应用ATLAS模拟软件,设计了吸收层和倍增层分离的（SAM）4H-SiC 雪崩光电探测器（APD）结构。分析了不同外延层厚度和掺杂浓度对器件光谱响应的影响,对倍增层参数进行优化模拟,得出倍增层的最优化厚度为0.26μm,掺杂浓度为9.0×1017cm^-3。模拟分析了APD的反向IV特性、光增益、不同偏压下的光谱响应和探测率等,结果显示该APD在较低的击穿电压66.4V下可获得较高的倍增因子105;在0V偏压下峰值响应波长（250nm）处的响应度为0.11A/W,相应的量子效率为58%;临近击穿电压时,紫外可见比仍可达1.5×103;其归一化探测率最大可达1.5×1016cmHz ^1/2 W^-1。结果显示该APD具有较好的紫外探测性能。     

基于Matlab的APD器件模拟

为了迅速了解雪崩光电二极管(APD)的特性以确保量子保密通信系统的质量,在适当的假设前提下,依据经验公式并借助于Matlab的矩阵运算功能计算吸收渐变电荷倍增分离型雪崩光电二极管(SAGCM APD)的电场分布,然后以此得出电子、空穴倍增系数,最后再利用这些系数及传递函数计算出SAGCM APD的增益-电压特性及频率响应特性,模拟的结果较好地与实验结果一致。     

In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As雪崩光电二极管的数值模拟研究

建立了SACM型In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As雪崩光电二极管(APD)的分析模型,通过数值研究和理论分析设计出高性能的In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As APD。器件设计中,一方面添加了In0.52Al0.48As势垒层来阻挡接触层的少数载流子的扩散,进而减小暗电流的产生;另一方面,雪崩倍增区采用双层掺杂结构设计,优化了器件倍增区的电场梯度分布。最后,利用ATLAS软件较系统地研究并分析了雪崩倍增层、电荷层以及吸收层的掺杂水平和厚度对器件电场分布、击穿电压、IV特性和直流增益的影响。优化后APD的单位增益可以达到0.9 A/W,在工作电压(0.9 Vb)下增益为23.4,工作暗电流也仅是纳安级别(@0.9 Vb)。由于In0.52Al0.48As材料的电子与空穴的碰撞离化率比InP材料的差异更大,因此器件的噪声因子也较低。     

一种25Gbit/s背入射高速InAlAs雪崩光电二极管

设计并制备了一种面向25 Gbit/s长距离传输用背面进光高速InAlAs雪崩光电二极管(APD),芯片采用垂直台面吸收-渐变-电荷-倍增层分离(SAGCM)结构,通过刻蚀工艺形成三层台面,将电场限制在最大台面倍增层的中心,有效降低了台面边缘击穿风险。器件采用倒装焊结构,背面集成微透镜,以提高光耦合孔径。研制的APD芯片在增益M=1时,对1310 nm波长光的响应度为0.84 A/W;在M=10时,3 dB带宽达到19 GHz;增益带宽积为180 GHz;在5×10^(-5)误码率下最佳灵敏度为-22.3 dBm,可支持100GBASE-ER4通信标准。     

InGaAs/InAlAs雪崩光电二极管仿真设计

设计了一种InGaAs/InALAs雪崩光电二极管(APD),并利用MEDICI软件进行了模拟仿真.器件采用背入射探测方式.雪崩增益区采用埋层设汁,省略了保护环等结构;并使用双层掺杂,有效降低了增益区电场的梯度变化.由于结构简单,因此仪需要利用分子束外延(MBE)生长精确控制每层结构即可.由于InAlAs材料的空穴与电子的离化率有较大的筹异,因此器件具有较低的噪声因子.     

变周期结构光子晶体的带隙研究

研究了变周期结构的光子晶体,即两种介质的厚度随单元数增加而变化,并对其光子能带特性进行了分析.研究发现,相对于周期性光子晶体,相同单元数的变周期结构的光子晶体具有更宽的光子能带带隙,且周期非线性变化比线性变化结构有更宽的光子带隙,这样对于同样宽的带隙的光子晶体,可采用较少单元数的变周期结构光子晶体,这一结果有助于光子晶体的广泛应用.     

长波长光纤系统的改进型雪崩光电二极管

本文评述了长波长光纤系统的改进型Ge雪崩光电二极管(Ge-APD)和InGaAs/InP雪崩光电二极管(InGaAs/InP-APD)。P~ -n型和n~ -n-p~ 型锗雪崩光电二极管在1.0～1.5μm波长区比通常的n~ -p型Ge-APD的倍增噪声低。吸收区和倍增区分开的InGaAs/InP—APD在1.0～1.6μm波长区比Ge—APD有较低的暗电流和较低的倍增噪声。这种雪崩光电二极管与Ge雪崩光电二极管相比能改进3～4dB的最小可探测功率。     

具有超晶格雪崩区的电子倍增型雪崩光电二极管

基于碰撞离化理论研究设计了In0.53 Ga0.47 As/In0.52 Al0.48As电子倍增超晶格结构雪崩光电二极管,使用MOCVD外延得到实验片,经过工艺流片后进行封装测试.测试结果显示,具有超晶格雪崩区的电子倍增型APD器件,其暗电流可以控制在纳安级,光电流增益达到140,证明具有超晶格雪崩区的电子倍增型雪崩光电二极管具有很好的光电探测性能.     

雪崩光电探测器的击穿效应模型分析

基于CMOS工艺制备了空穴触发的Si基雪崩探测器(APD),基于不同工作温度下器件的击穿特性,建立空穴触发的雪崩器件的击穿效应模型。根据雪崩击穿模型和击穿电压测试结果,拟合曲线得到击穿电场与温度的关系参数(dE/dT),器件在250～320 K区间内,击穿电压与温度是正温度系数,器件发生雪崩击穿为主,dV/dT=23.3 mV/K,其值是由倍增区宽度以及载流子碰撞电离系数决定的。在50～140 K工作温度下,击穿电压是负温度系数,器件发生隧道击穿,dV/dT=-58.2 mV/K,其值主要受雪崩区电场的空间延伸和峰值电场两方面因素的影响。     

碲镉汞雪崩光电二极管的发展

雪崩光电二极管(APD)工作在足够的反偏下,光生载流子到达耗尽区并诱发放大过程.碲镉汞(MCT)电子和重空穴有效质量之间的非对称性会产生不相等的电子电离系数和空穴电离系数,提供一个由单独一类载流子诱发的碰撞电离过程,从而形成具有包括接近无噪声增益在内的“理想”APD特征的电子雪崩光电二极管(EAPD).对于包括低光子数...     

利用探测器光电响应的带尾温变特性研究GaN/AlGaN界面极化电荷

日盲紫外探测器的抑制比由带尾响应决定,制作欧姆接触的高掺杂浓度p-GaN帽层是导致探测器带尾响应存在的不利因素。利用p-GaN/AlGaN界面极化电荷的调控,可以有效地抑制带尾响应。针对AlGaN吸收分离倍增(SAM)结构日盲雪崩光电二极管(APD)探测器进行了变温响应光谱测试,分析了正照射和背照射时响应光谱的差别,重点对带尾响应在低温下得到有效抑制的情况进行了讨论,认为在只有温变的情况下,异质结极化效应的增强起主导作用。对响应光谱进行了理论仿真计算,根据室温下自发极化及压电极化计算分析,得到了与室温下测试性能较为自洽的结果。基于带尾响应的温变特性,拟合得到极化电荷密度随温度的变化关系,提供了一种在SAM结构中利用响应光谱研究GaN/AlGaN界面极化电荷的新方法。