低偏压下高速高饱和单行载流子光探测器的研究

发布时间：2020-07-04 04:53

【摘要】：随着网络技术的不断发展,我们已经迈入了信息化高速发展的新时代,人脸识别和移动支付等新技术充斥着我们的生活,可以说,我们的生活每天都在和海量的信息打交道,而这样的时代对光纤通信系统也提出了新的要求,要求其可以实现更大容量和更长距离传输。作为光纤通信系统中的重要元件之一,光探测器也需具备更快的响应速度、更大的响应度和更优的高饱和性能。单行载流子光探测器(UTC-PD)利用电子作为单行载流子,有效地减少了器件的空间电荷效应,相较于传统光探测器,在高速高饱和特性上占有优势。此外,UTC-PD获得电子过冲速度所需的最佳电场相对较小,这就使得器件即使在相对较低的偏压下也可以实现高速响应。而低偏压也就意味着低功耗,同时可以简化封装和维护,延长器件寿命,符合光通信技术集成化的大势所趋,具有广阔的应用前景。本论文围绕低偏压(0-1V)下单行载流子光探测器的理论和实验研究展开,主要研究内容和创新如下:1.完成了UTC-PD结构的低偏性能研究和功能层优化。研究结果表明,对于Ishibashi等人提出的经典UTC-PD结构,在0.1V偏压附近器件高速性能较其他低偏压值更优;且低偏压与高偏压及零偏压性能相比,高速性能介于两者之间,在0.1V偏压下,直径7μm器件的3dB带宽达112GHz,明显高于零偏压的105GHz,略低于6V偏压下的122GHz。另一方面,研究发现吸收层、收集层的渐变掺杂和其它功能层的参数优化可以明显改善器件的高速性能。2.提出了一种新的UTC-PD结构,发现采用新型掺杂的收集层和渐变掺杂的空间层,可以显著改善低偏压下的高速响应。在0.1V偏压下,直径7μm的上述UTC-PD结构,其3dB带宽高达150GHz,较Ishibashi等人提出的经典UTC-PD结构增加了33.9%。既之,对器件做了进一步的优化,在吸收层采用偶极掺杂,在收集层靠近崖层一侧采用阶梯掺杂,可以进一步将器件带宽提升至181GHz,此带宽值高于目前报道的零偏压3dB带宽记录,且完全可以和高偏压下的器件带宽相媲美。3.具体分析了低偏压条件下不同垂直入光方式对器件性能的影响。研究结果发现,对于包含50nm厚P接触层的Ishibashi经典UTC-PD结构,在入射光波长为1550nm时,背入光条件下器件响应度和带宽均最高,上下两侧同时入光次之,正入光情形均最差。从理论上分析其产生原因,一是因为垂直正入光时,P接触层In0.53Ga0.47As对入射光有吸收,使得到达吸收层的有效光功率减少。二是当光探测器未达到饱和状态时,垂直正入光条件的UTC-PD吸收层内建电场强度较小,因而电子在吸收层的渡越时间较长,3dB带宽较小。4.较为系统地仿真分析了低偏压条件下UTC-PD阵列结构的性能。分析表明,入射光强相同时,由于电容效应的影响,UTC-PD阵列结构的3dB带宽随级联个数的增加而降低。但是,UTC-PD阵列结构显著提高了器件的高饱和特性,其光功率响应范围随级联个数的增加线性增长。此外,当1×4阵列结构和UTC-PD单个大尺寸结构光敏面面积相同时,由于阵列结构载流子横向传输距离更小,器件中心位置处的电场强度更大,因而高速性能更优。5.制备了UTC-PD器件并进行了性能测试。实验结果显示,在0.5V偏压下,直径32μm的UTC-PD结构其3dB带宽可达9.8GHz,明显高于0V偏压对应的2.6GHz。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN15;TN929.11
【图文】：

示意图,能带结构,示意图

、、；，型收集层的ＵＴＣ－ＰＤ结构，并就此结构做了进一步的优化和性能分析；此完成了不同入光方式对低偏压ＵＴＣ－ＰＤ结构性能影响的研宄及ＵＴＣ－ＰＤ阵构的分析；最后，完成了邋ＵＴＣ－ＰＤ结构的工艺制备及性能测试。以下是论实验背景及章节安排。逡逑１．１研究背景及意义逡逑随着信息技术的发展，人们的生活也发生了极大的变化，手机、电脑、视、移动终端、互联网等充斥着我们的生活，我们己经步入大数据时代，量的数据对光通信系统提出了新的要求，希望其可以实现更长距离传输和接入。顺应此需求，近年来兴起了光载无线传输系统（ＲｏＦ），利用毫米波进信传输，可以实现宽带接入和长距离传输，但是因为毫米波频率较高，这求作为接收机的光探测器需具备更优的高速高饱和的特性。此外，在相控达和光数模转换等应用中，也要求光探测器具备高速和高饱和特性Ｍｌ逡逑

示意图,低偏压,零偏压,偏压

对于提升器件的高速和高饱和特性有很大帮助。二是低偏压相比较于高逡逑偏压，功耗较低，同时可以简化封装和维护，暗电流特性较好，对于器件的寿逡逑命也有一定的保证，具有很大的应用前景，图１－２是高偏压，低偏压和零偏压逡逑优缺点示意图。逡逑本论文围绕低偏压（０－１Ｖ）下单行载流子光探测器的理论和实验研宄展开，希逡逑望通过合理的设计和优化，提高和完善器件的高速及高饱和性能，以得到可以逡逑和高偏压下性能相媲美的ＵＴＣ－ＰＤ结构为目标。逡逑高偏压逦零偏压逡逑图１－２高偏压，低偏压和零偏压优缺点示意图逡逑３逡逑

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