微型化太赫兹集成器件的前沿技术进展

针对国际上太赫兹器件技术进展予以概括和分析,提炼出共振隧穿二极管、单向载流子传输光电二极管2种可行的小型化器件方案。在材料生长和器件结构方面分析了太赫兹波的产生原理和难点,在系统应用方面解释了短距离高速通信的实用案例。目前,采用共振隧穿二极管已实现2.5 Gbps速率的300 GHz无线通信演示实验,采用单向载流子传输光电二极管在该频点下实现了12.5 Gbps的无线通信实验。     

共振隧穿二极管型光探测器和光调制器

将共振隧穿二极管(RTD)的核心结构——双势垒系统与光探测器和调制器的原理相结合可构成共振隧穿光探测器和共振隧穿光调制器。这些器件既保持了RTD高频、高速的特点,同时又具备了光探测器和光调制器原有的功能,可用于光电集成电路。介绍了这种具有代表性的RTD型光电器件的工作原理、器件结构、制造工艺、器件参数测试等,为此类器件在国内的设计和研制奠定基础。     

导带不连续性对InGaAsP/InGaAs UTC PD带宽的影响

研究了导带不连续性对InGaAsP/InGaAs单行载流子高速光探测器(UTC-PD)的3dB带宽的影响。研究结果表明,由于导带不连续性的存在,使得3dB带宽降低。导带不连续性越大,3dB带宽越低。通过增加隧穿系数、收集层厚度、收集层掺杂浓度和减小吸收层掺杂浓度可以在一定程度上消除导带不连续性带来的不利影响。研究结果还表明,增加隧穿系数、收集层厚度和减小吸收层掺杂浓度这三种方法在消除导带不连续性不利影响的同时又有各自的缺点,而适当增加收集层掺杂浓度是最为有效的一种方式。该研究结果可以为UTC-PD的设计提供理论指导,特别是采用UTC结构的波导型光电二极管。     

CMOS单片光接收机的带宽设计

设计了一个由调节型级联跨阻抗放大器(TIA)和双光电二极管(DPD)构成的光电集成接收机.给出了DPD小信号电路模型和单片集成光接收机的带宽设计方法,给出限制DPD和光接收机带宽的重要因素,分析和模拟了这个光电集成接收机的带宽,用低成本的0.6μm CMOS工艺设计出1.71GHz带宽和49dB跨阻增益的接收机,并给出测试结果.     

高速高饱和InGaAs/InP单行载流子光电二极管

InGaAs/InP单行载流子光电二极管(UTC-PD)是近年来研发的一种新型光电器件.UTC-PD是一种由p型中性光吸收层和n型宽带隙集结层构成,并且只用电子作为有源载流子的光电二极管.详细地介绍了UTC-PD的工作原理、结构设计、制作工艺及典型应用.     

一种高带宽NP 型CMOS APD 的研究

提出了一种高带宽的硅基CMOS雪崩光电二极管(APD)器件。该器件在N阱/P衬底基本结构的基础上,增加一个N型深掩埋层,并在该掩埋层单独加上电压,以减小载流子的输运时间。通过理论分析确定了器件的结构参数,通过器件性能的仿真分析对相关参数进行了优化设计。仿真结果表明:采用标准0.18 m CMOS工艺,所设计的APD器件的窗口尺寸大小为20 m20 m,在反向偏压为16.3 V时,器件的雪崩增益为20,响应度为0.47 A/W,3 dB带宽为8.6 GHz。     

GaAs基RTD与MSM光电集成

报道了GaAs基共振隧穿二极管(RTD)与金属-半导体-金属光电探测器(MSM PD)单片集成的两种光电集成电路,并在室温条件下分别测试了RTD器件、MSM器件和集成电路的电学特性.测试表明:RTD器件的峰谷电流比为4;由于改进了在半绝缘GaAs衬底上制作MSM的方法,5V偏压下的电流由原来的2μA增加到了18μA,基本实现了两种电路的逻辑功能.     

10Gbit/s InGaAs/InP雪崩光电二极管

基于InGaAs/InP吸收区、渐变区、电荷区和倍增区分离雪崩光电二极管(SAGCMAPD)器件结构,利用数值计算方法,模拟了各层参数对器件频率响应特性的影响.模拟结果表明,吸收层、倍增层厚度及电荷层面电荷密度可影响器件的-3 dB带宽;随增益的增加,器件带宽会逐渐降低;电荷层面电荷密度对器件击穿电压有明显影响.结合此模拟结果,制作出了高速InGaAs/InP雪崩光电二极管,并对器件进行了封装测试.测试结果表明,该结果与模拟结果相吻合.器件击穿电压为30 V;在倍增因子为1时,器件响应度大于0.8 A/W;在倍增因子为9时,器件暗电流小于10 nA,-3 dB带宽大于10 GHz,其性能满足10 Gbit/s光纤通信应用要求.     

InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管InP顶层掺杂研究

通过理论计算和对比实验研究了InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管中InP顶层掺杂浓度对于器件性能的影响.理论结果显示,InP顶层的掺杂浓度越低越有利于抑制边缘击穿,降低隧穿暗载流子产生速率,提高雪崩击穿几率.实验结果显示,顶层非故意掺杂的器件在223K下获得了20%的单光子探测效率和1kHz的暗计数率,其单光子探测效率比顶层掺杂浓度为5×10~(15)/cm~3的器件高3%~8%,而暗计数率低一个量级.结果表明,降低InP顶层的掺杂浓度有利于提高器件性能.     

单稳双稳态转变逻辑单元等效电路模型

基于共振隧穿二极管的单片集成的单稳双稳态转变逻辑单元电路是近年出现的一种新型电路逻辑单元．本文介绍一种简单的ＭＯＢＩＬＥ电路结构,给出了适合于ＰＳＰＩＣＥ模拟的模型,并根据模拟结果分析了共振隧穿二极管电容的充放电过程,同时讨论了ＭＯＢＩＬＥ电路工作的内部物理过程．     

A 1550-nm millimeter-wave photodetector with a bandwidth-efficiencyproduct of 2.4 THz

The monolithic integration of an optical preamplifier and a waveguide p-i-n photodiode has resulted in a 1550-nm photodetector having an external quantum efficiency of 72 (a responsivity of 89 A/W) and an electrical bandwidth of 33.5 GHz. These figures combine to give a bandwidth efficiency product of 2.4 THz, which is approximately one hundred times higher than for any other type of millimeter-wave photodetector published to date. In addition, the preamplifier performance is supplemented by wide optical bandwidth (60 nm), low polarization sensitivity (1 dB), near traveling wave amplification (1-dB maximum gain ripple), and high saturated output power (+11 dBm). The principal advance over work reported earlier is the traveling wave operation of the monolithic optical preamplifier     

由RTD/MOSFET构成的新型振荡电路

基于一种新型的振荡机制,利用共振隧穿二极管(RTD)固有的负阻和双稳特性,与MOSFET器件相结合,首次实现了工作频率约为25MHz的RTD/MOSFET高频振荡电路.文章首先从理论上深入分析了该电路的振荡机理,然后通过高级设计系统(ADS)软件仿真和实验验证了此振荡电路的正确性.该电路的实现有望解决传统的基于RTD的振荡电路的功率限制问题,如果进一步用高电子迁移率晶体管(HEMT)等高频、高速器件取代MOSFET,可以在很大程度上提高这一电路的工作频率,并可实现RTD/HEMT的单片集成.因此该振荡电路在微波和射频领域具有广阔的应用前景.     

由RTD/MOSFET构成的新型振荡电路

基于一种新型的振荡机制,利用共振隧穿二极管(RTD)固有的负阻和双稳特性,与MOSFET器件相结合,首次实现了工作频率约为25MHz的RTD/MOSFET高频振荡电路.文章首先从理论上深入分析了该电路的振荡机理,然后通过高级设计系统(ADS)软件仿真和实验验证了此振荡电路的正确性.该电路的实现有望解决传统的基于RTD的振荡电路的功率限制问题,如果进一步用高电子迁移率晶体管(HEMT)等高频、高速器件取代MOSFET,可以在很大程度上提高这一电路的工作频率,并可实现RTD/HEMT的单片集成.因此该振荡电路在微波和射频领域具有广阔的应用前景.     

太赫兹波段FSS带通滤波器的分析与设计

用HFSS仿真软件设计并分析了太赫兹频段的频率选择表面带通滤波器。其中缝隙滤波器的中心工作频率为0.346THz,透过率达到99.37%,3 dB带宽可以达到75 GHz。3层方环级联带通滤波器的通带比缝隙滤波器通带更为平坦,3 dB带宽达到了100 GHz,矩形系数也有大幅度提高。两种滤波器在不同极化波和相同极化波不同入射角度入射时都有很好的频率稳定性,并且中心工作频率在太赫兹大气窗口,可适用于太赫兹通信。     

High gain-bandwidth product Ge/Si tunneling avalanche photodiode with high-frequency tunneling effect

This study presents a theoretical investigation of a novel Ge/Si tunneling avalanche photodiode (TAPD) with an ultra-thin barrier layer between the absorption and p⁺ contact layer. A high-frequency tunneling effect is introduced into the structure of the barrier layer to increase the high-frequency response when frequency is larger than 0.1 GHz, and the -3 dB bandwidth of the device increases evidently. The results demonstrate that the avalanche gain and -3 dB bandwidth of the TAPD can be influenced by the thickness and bandgap of the barrier layer. When the barrier thickness is 2 nm and the bandgap is 4.5 eV, the avalanche gain loss is negligible and the gain-bandwidth product of the TAPD is 286 GHz, which is 18% higher than that of an avalanche photodiode without a barrier layer. The total noise in the TAPD was an order of magnitude smaller than that in APD without barrier layer.     

Simulation of quantum transport in monolithic ICs based on In/sub 0.53/Ga/sub 0.47/As-In/sub 0.52/Al/sub 0.48/As RTDs and HEMTs with a quantum hydrodynamic transport model

A new quantum hydrodynamic transport model based on a quantum fluid model is used for numerical calculations of different quantum sized devices. The simulation of monolithic integrated circuits of resonant tunneling structures and high electron mobility transistors (HEMT) based on In/sub 053/Ga/sub 0.47/As-In/sub 052/Al/sub 0.48/As-InP is demonstrated. With the new model, it is possible to describe quantum mechanical transport phenomena like resonant tunneling of carriers through potential barriers and particle accumulation in quantum wells. Different structure variations, especially the resonant tunneling diode area and the gate width of the HEMT structure, show variable modulations in the output characteristics of the monolithic integrated device.     

GHz级半导体激光器组件的设计与实现

本文报导了一种制备ZrO2高温快离子导体的新方法,使用连续CO2激光束在非平衡条件下熔凝CaO及MgO稳定的ZrO2快离子导体,激光作用时间只有几分钟。在室温至1000℃的范围内测量了样品的电导率,其结果与国外用常规方法制得的同类快离子导体的研究结果相当。     

特殊图案透明欧姆接触微结构提高谐振腔增强型光探测器的响应性能

为解决谐振腔增强型(RCE)光探测器的耦合效率和响应速率的矛盾,提出了采用特殊图案透明欧姆接触的微结构及其制备工艺方案,从而使得在器件入光面积不变的情况下,欧姆接触部分的总面积显著减小,在不影响器件量子效率的前提下达到减小电容、提高响应速率的目的。在台面面积为50μm×50μm的情况下,获得了18 GHz的响应带宽。研制的谐振腔增强型光探测器的响应速率得到了显著的提高。     

一种渐变掺杂型pin光探测器的高速响应性能研究

高速光探测器是高速光纤通信系统和网络中的关键器件,它要求光探测器具有宽的频率响应带宽和高量子效率。垂直入光型pin光探测器的高速性能和量子效率均受到吸收层厚度的限制。为了改善其高速性能,采用InGaAsP材料作为吸收层以及限制层渐变掺杂的方法,对垂直入光型pin光探测器的高速响应性能进行了理论研究和仿真,结果表明,高速响应达到了40GHz。与不采用渐变掺杂浓度的同种结构光探测器相比,高速响应性能显著提高。