光通信波段光探测器的暗电流抑制与宽谱高速及大功率响应特性的研究

发布时间：2020-10-31 21:13

　　 随着信息化的不断发展,人们对网络通信量的要求不断提高,基于光通信技术的海量数据的长距离快速传输成为信息领域中一个久盛不衰的重要研究方向。在光通信系统中,光探测器作为将光信号转化为电信号的接收终端,在信息传输方面起着至关重要的作用。高速大容量光通信系统的不断发展,要求光探测器同时具备低暗电流、高速响应、大功率输出、宽光谱探测等优良特性。本论文以抑制光探测器暗电流、实现光通信波段的宽谱探测、提高光探测器高速及大功率响应特性为目标,从光探测器的暗电流机制和电容等基本特性出发,围绕光探测器的宽光谱和阵列化探测技术以及器件混合集成技术开展研究。本论文的主要创新点以及研究成果如下:1.为了抑制PIN光探测器的暗电流,提出一个完整的计算暗电流的模型和抑制暗电流的方案。该模型考虑了光探测器中的缺陷能级引起的缺陷辅助隧穿电流,并且指出在低偏下Shockley-Read-Hall(SRH)产生-复合和缺陷辅助隧穿是产生暗电流的两个主要机制。在5V偏压下,当吸收层掺杂浓度为1×1015cm-3、厚度低于lμm时,以及当吸收层厚度为2μm、掺杂浓度大于7×1015cmm-3时,缺陷辅助隧穿是暗电流的主要机制。用该模型仿真计算得到的总暗电流与测试得到的暗电流吻合较好。基于该模型得到的暗电流抑制方案如下:(1)减小吸收区厚度可以抑制暗电流。当吸收层掺杂浓度为1×1015cm-3,吸收区厚度小于1.2μm时,暗电流小于2nA。但是减小吸收区厚度会影响光探测器的响应度,因此应该在满足响应度的要求下尽量减小吸收区的厚度去抑制PIN光探测器的暗电流。(2)增加吸收区掺杂浓度,可以抑制暗电流。当吸收层厚度为2μm,掺杂浓度超过1×1016cm-3时,增加掺杂浓度对暗电流的抑制作用减弱,并且会影响PIN光探测器的其他性能。因此为了最有效地抑制暗电流,吸收区掺杂浓度应该在1×1016cm-3左右。(3)降低温度可以抑制暗电流。因为降温可以显著减小SRH产生-复合电流。2.提出一个完整的单行载流子光探测器的暗电流模型和一个抑制暗电流的方案。重点考虑了缺陷对暗电流的影响,发现器件中的暗电流主要在靠近收集区处的InGaAs层产生。利用该模型计算得到的总暗电流与实验测得的暗电流大小较为吻合。基于该模型得到的暗电流抑制方案如下:(1)降低收集区的掺杂浓度可以抑制暗电流。但是掺杂浓度降到1×1015cm-3以下时,暗电流抑制效果不再明显,同时,如果继续降低掺杂浓度对材料生长是一个挑战。因此,为了得到较小的暗电流,最佳收集区掺杂浓度为1×1015cm-3。(2)增加收集区的厚度有利于减小暗电流,但是在低压下抑制效果不明显。当反向偏压超过1.5V时,增加收集区的厚度可明显抑制暗电流。3.提出并制备了一种低暗电流、高响应度的InP基宽光谱光探测器。通过在顶部引入P+型InAlAs层,减少了器件在850nm波长下的吸收损耗。通过引入InGaAsP本征层,增加了器件在850nm波长下的吸收,平滑了能带结构,减小了器件的电容。响应度在850nm、1310nm和 1550nm波长下分别达到0.43A/W、0.47 A/W和0.4 A/W。当反向偏压在0～1V时,器件的暗电流低于1nA。1550nm波长下的3-dB带宽达到17.2GHz。4.研究了上述InP基宽谱光探测器的电容-电压曲线的频率依赖特性。当交流信号测试频率为50kHz和100kHz时,观察到负微分电容效应,该效应在频率超过200kHz时消失。根据前人有关负微分电容成因的分析结论,推断出器件中来自深能级中心的热离子发射率小于200kHz。5.提出一个微分电容模型,利用该模型分析了电容对光功率的依赖特性:在0～130mW的光功率范围内缓慢增加;在130～140mw的光功率范围内快速增加;在140mw以上的光功率范围内快速下降。为了实现较好的高速响应特性,给出了光探测器工作的光功率上限:即130mW。电容最大值处的光功率和直流饱和点处的光功率接近,直流饱和之后,电容急剧减小。随着收集层厚度的增加,电容最大值减小,同时,电容最大值处的光功率也变小。6.提出并制备了一种与亚波长光栅功分器混合集成的三管芯、四管芯对称连接的单行载流子光探测器阵列。设计并制备了用于该阵列的功分器。实验完成了上述两者的混合集成。三管芯混合集成阵列在15GHz处的最大射频输出功率为11.5dBm,相应的光电流为70mA;四管芯混合集成阵列在15GHz处的最大射频输出功率为13.1dBm,相应的光电流为91mA。该混合集成结构实现了大功率信号光在多个光探测器管芯中的分别接收,提高了器件的大功率性能,解决了光信号相位失配问题,降低了器件的复杂度。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN929.1
【部分图文】：

?Ｖ．Ｂ．??图２－２?ＵＴＣ－ＰＤ工作原理示意图??单行载流子光探测器主要是基于ＰＩＮ探测器结构改进而来的，其中有一个Ｐ??型光吸收层和低掺杂的收集区，工作原理如图２－２所示，在单行载流子光探测器??中，吸收层吸收入射光产生光生载流子。因为吸收区为Ｐ型重掺杂区，所以空穴??８??

Ｖ?８??ｎ－ｃｏｎｔａｃｔ?ｌａｙｅｒ??图２－１?ＰＩＮ光探测器工作原理示意图??为了实现高速性能，势必要减小吸收层的厚度，但这会降低器件的响应度，??因此在ＰＩＮ光探测器中，高速性能与响应度之间存在着天然的矛盾。并且当入射??光强度增大时，光探测器中会产生大量的载流子堆积，载流子堆积形成的空间电??荷效应会限制器件的输出电流和功率，导致器件过早饱和。??２．２．２单行载流子光探测器??空间电荷效应是由载流子堆积形成的，该效应会影响光探测器的高速性能。??在光探测器中，电子的迁移率是空穴的数倍。如果我们能够只利用具有较快输运??速度的电子，那么光探测器的饱和电流和带宽特性将会获得提高。单行载流子光??探测器（Ｕｎｉ－Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ?Ｃａｒｒｉｅｒ?Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ

北京邮电大学博士学位论文和与交流饱和性能??的饱和性能分为直流饱和与交流饱和，表征的是光探测器在性工作能力。光电流随着入射光功率的增大而增大，当输出做直流饱和，如图２－３所示。交流饱和电流的定义是在调制光，光探测器的ＲＦ输出功率与其平均光电流之间的关系偏离线均光电流，而饱和ＲＦ输出功率则是这时对应的ＲＦ输出功率，▲??
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本文编号：2864516