10 Gbit/s InGaAs/InP雪崩光电二极管
发布时间：2022-01-16 17:07
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（SAGCM APD）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-3dB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30V;在倍增因子为1时,器件响应度大于0.8A/W;在倍增因子为9时,器件暗电流小于10nA,-3dB带宽大于10GHz,其性能满足10Gbit/s光纤通信应用要求。
【文章来源】：半导体技术. 2017,42(07)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
InGaAs/InPSAGCMAPD结构示意图
化学气相沉积(MOCVD)掺杂在器件面电荷密度控制方面的应用。结果表明，上述模拟及制备方法对于高速率APD器件的设计及制备是切实有效的。1InGaAs/InPSAGCMAPD结构SAGCM结构因分离了器件的吸收层和倍增层，从而降低了设计及工艺控制难度，提高了工艺容差，具有增益平滑、带宽大、内量子效率高等优点，是目前APD类器件主要采用的器件结构。InGaAs/InPSAGCMAPD结构如图1所示，工作原理如图2所示，Ec和Ev分别为导带和价带能级。图1InGaAs/InPSAGCMAPD结构示意图Fig.1StructurediagramoftheInGaAs/InPSAGCMAPD图2SAGCMAPD工作原理示意图Fig.2WorkingprinciplediagramoftheSAGCMAPD在上述结构中，窄带隙的InGaAs为吸收层，对光纤通信所需近红外波段吸收系数高;宽带隙的InP为载流子倍增层，对近红外波段光不吸收，降低了噪声系数;InGaAsP组分渐变层减小了InP和InGaAs间的异质结势垒，有利于载流子渡越;InP电荷层通过对其掺杂的控制可以调节器件内部电场分布，优化器件的倍增及噪声特性。对于APD而言，性能的优劣主要由内部的电场分布决定，而电场分布则主要受电荷层掺杂的面电荷密度影响，因此电荷层的掺杂控制就成为APD制备的关键工艺。另外为了满足高速应用需求，APD需要在特定增益下尽量提高器件的频响带宽。由于APD的器件特性对结构参数较为敏感，因此合理的器件模型有助于减轻设计和工艺实验的难度。2InGaAs/InPSAGCMAPD的理论计算考虑一个一维全耗尽的单层光电二极管，电子和空穴的电流密度在时域上可按以下公式计算［6］q?n(x，t)?t=G(x，t)+?Jn(x，t)?x(1)q?p(x，t)?t=G(x，t)－?Jp(x，t)?x(2)式中:q为电子电荷电量;x为位置;t为时间;n(x，t)和p(x，t)分别为电?
总的耗尽层宽度为W，则总的器件电极响应电流I(ω)可表示为I(ω)=1W∑4i=0Ii(ω)(6)上述计算中没有考虑器件的寄生参数，假设器件内总的寄生电容为C，电阻为Ｒ，器件的直流电极响应电流为I(0)，则器件的频率响应F(ω)可表示为［7］F(ω)=11+jωＲCI(ω)I(0)(7)基于式(1)～(7)，采用数值计算方法，可得到不同结构参数对器件增益带宽特性的影响。由于器件的吸收层厚度(da)、倍增层厚度(dm)和电荷层面电荷密度(Qs)等对器件特性影响较大，这里主要基于此3个参数进行了模拟。图3为不同吸收层厚度下，器件的－3dB带宽(F－3dB)随倍增因子(M)的关系;图4为在器件M=10时，器件的增益带宽积(GBP)随倍增层厚度的变化;图5为器件的电荷层面电荷密度对器件F－3dB的影响。由图3可知，在同样的吸收层厚度下，带宽随倍增因子增加而减小;在同样的倍增因子下，带宽随吸收层厚度的减小而增加;随着倍增因子的提高，不同吸收层厚度的器件带宽差距逐渐减小，在较高增益下趋于一致，表明器件具有增益带宽积的特性。图4表明，随倍增层厚度的增加，器件的带宽逐渐降低，这与APD的雪崩建立时间随倍增层厚度的变化有关。图5表明，在一定范围内，随面电荷密度的增加，带宽呈降低趋势，这可能是因为随面电荷密度的增加，器件的击穿电压降低，吸收区电场逐渐减小，造成带宽下降。图3不同吸收层厚度下，器件的倍增因子－带宽曲线Fig.3M-F－3dBcurvesofthedeviceatdifferentthicknessesoftheabsorptionlayer图4M=10时，增益带宽积随倍增层厚度的变化曲线Fig.4Changecurveofthegainbandwidthproductwiththethicknessofthemulti-plicationlayeratM=10图5M=9时，带宽随电荷层面电荷密度的变化曲线Fi
本文编号：3593087
【文章来源】：半导体技术. 2017,42(07)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
InGaAs/InPSAGCMAPD结构示意图
化学气相沉积(MOCVD)掺杂在器件面电荷密度控制方面的应用。结果表明，上述模拟及制备方法对于高速率APD器件的设计及制备是切实有效的。1InGaAs/InPSAGCMAPD结构SAGCM结构因分离了器件的吸收层和倍增层，从而降低了设计及工艺控制难度，提高了工艺容差，具有增益平滑、带宽大、内量子效率高等优点，是目前APD类器件主要采用的器件结构。InGaAs/InPSAGCMAPD结构如图1所示，工作原理如图2所示，Ec和Ev分别为导带和价带能级。图1InGaAs/InPSAGCMAPD结构示意图Fig.1StructurediagramoftheInGaAs/InPSAGCMAPD图2SAGCMAPD工作原理示意图Fig.2WorkingprinciplediagramoftheSAGCMAPD在上述结构中，窄带隙的InGaAs为吸收层，对光纤通信所需近红外波段吸收系数高;宽带隙的InP为载流子倍增层，对近红外波段光不吸收，降低了噪声系数;InGaAsP组分渐变层减小了InP和InGaAs间的异质结势垒，有利于载流子渡越;InP电荷层通过对其掺杂的控制可以调节器件内部电场分布，优化器件的倍增及噪声特性。对于APD而言，性能的优劣主要由内部的电场分布决定，而电场分布则主要受电荷层掺杂的面电荷密度影响，因此电荷层的掺杂控制就成为APD制备的关键工艺。另外为了满足高速应用需求，APD需要在特定增益下尽量提高器件的频响带宽。由于APD的器件特性对结构参数较为敏感，因此合理的器件模型有助于减轻设计和工艺实验的难度。2InGaAs/InPSAGCMAPD的理论计算考虑一个一维全耗尽的单层光电二极管，电子和空穴的电流密度在时域上可按以下公式计算［6］q?n(x，t)?t=G(x，t)+?Jn(x，t)?x(1)q?p(x，t)?t=G(x，t)－?Jp(x，t)?x(2)式中:q为电子电荷电量;x为位置;t为时间;n(x，t)和p(x，t)分别为电?
总的耗尽层宽度为W，则总的器件电极响应电流I(ω)可表示为I(ω)=1W∑4i=0Ii(ω)(6)上述计算中没有考虑器件的寄生参数，假设器件内总的寄生电容为C，电阻为Ｒ，器件的直流电极响应电流为I(0)，则器件的频率响应F(ω)可表示为［7］F(ω)=11+jωＲCI(ω)I(0)(7)基于式(1)～(7)，采用数值计算方法，可得到不同结构参数对器件增益带宽特性的影响。由于器件的吸收层厚度(da)、倍增层厚度(dm)和电荷层面电荷密度(Qs)等对器件特性影响较大，这里主要基于此3个参数进行了模拟。图3为不同吸收层厚度下，器件的－3dB带宽(F－3dB)随倍增因子(M)的关系;图4为在器件M=10时，器件的增益带宽积(GBP)随倍增层厚度的变化;图5为器件的电荷层面电荷密度对器件F－3dB的影响。由图3可知，在同样的吸收层厚度下，带宽随倍增因子增加而减小;在同样的倍增因子下，带宽随吸收层厚度的减小而增加;随着倍增因子的提高，不同吸收层厚度的器件带宽差距逐渐减小，在较高增益下趋于一致，表明器件具有增益带宽积的特性。图4表明，随倍增层厚度的增加，器件的带宽逐渐降低，这与APD的雪崩建立时间随倍增层厚度的变化有关。图5表明，在一定范围内，随面电荷密度的增加，带宽呈降低趋势，这可能是因为随面电荷密度的增加，器件的击穿电压降低，吸收区电场逐渐减小，造成带宽下降。图3不同吸收层厚度下，器件的倍增因子－带宽曲线Fig.3M-F－3dBcurvesofthedeviceatdifferentthicknessesoftheabsorptionlayer图4M=10时，增益带宽积随倍增层厚度的变化曲线Fig.4Changecurveofthegainbandwidthproductwiththethicknessofthemulti-plicationlayeratM=10图5M=9时，带宽随电荷层面电荷密度的变化曲线Fi
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