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吸收渐变电荷倍增分离结构雪崩光电二极管的理论研究与实验制备

陶彦耘  
【摘要】: 本论文的研究工作是围绕国家重点基础研究发展计划(973计划)“新型光电子器件中的异质兼容集成与功能微结构体系基础研究”(项目编号:2010CB327600)、国家高新技术研究发展计划(863计划)项目(项目编号:2007AA03Z418)以及教育部“长江学者和创新团队发展计划”资助(No.IRT0609)等展开工作的。 在光通信领域,作为接收端的光接收机首先需要将光信号转换成电信号,即对光进行解调。这个过程可由雪崩光电二极管(APD:Avalanche Photo Diode)来实现。APD是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度的探测器。APD具有内增益能力,具有很高的灵敏度,被广泛应用在超高速光通信、信号处理、测量和传感系统中,是现代高比特速率光通信系统中得到广泛使用的光电探测器。 本文针对吸收渐变电荷倍增分离结构雪崩光电二极管SAGCM-APD (Separated Absorption, Grading, Charge, and Multiplication Avalanche Photo Diode)进行了深入的理论研究和结构参数设计,并实验制备了InP基的SAGCM-APD,取得相关成果如下: 1、对吸收渐变电荷倍增分离结构的雪崩光电二极管(SAGCM-APD)的频率响应特性进行详细深入的理论研究:首次根据分层结构算法,分别推导得出InGaAs/InGaAsP/InP SAGCM-APD和InGaAs/InGaAsP/Si SAGCM-APD的频率响应特性公式。该算法利用矩阵代数的分析方法,先分别分析器件每层结构的响应特性,进而结合得到整个SAGCM结构APD的频率响应特性。该算法取消了以前频响分析中所有倍增均发生在靠近峰值电场附近的某个平面这一假设条件,更加准确的描述了倍增过程。 2、针对InGaAs/InGaAsP/InP SAGCM-APD,分析各结构参数的变化分别对耗尽区内电场强度、增益因子、雪崩击穿电压、频率响应等性能参数造成的影响。针对所需的性能参数,调整结构参数来达到性能需求。本论文针对频率响应特性提出需求,希望其能工作在10GHz的频段,设计出的结构参数分别为:倍增层的厚度Wm=0.2μm,掺杂浓度Nm=1×1015cm-3;电荷层的厚度Wc=50nm,掺杂浓度Nc=5×1017cm-3;渐变区厚度为Wg=80nm,掺杂浓度为Ng=9×1016cm-3;吸收区的厚度Wa=1μm,掺杂浓度Na=1×1015cm-3,击穿电压为32.055V,在外加电压为击穿电压的90%时,倍增因子为9.757,3dB带宽为10.07 GHz,增益带宽积为98GHz。 3、实验上进行了InP基SAGCM-APD器件的后工艺制备工作,器件台面面积为130μm×130μm,对器件的光电流和暗电流进行了测试,针对测试结果进行了分析。


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