杜鸣笛[1]2014年在《基于金属交叉电极耦合谐振腔增强结构的高性能光电探测器研究》文中研究指明光电探测器是光纤通信系统的基本器件,也是混频法产生无线波的重要元件。随着高速光纤通信和太赫兹(THz)波的发展,这就要求光电探测器向高速方向发展。金属-半导体-金属交叉电极具有很低的电容而被广泛地应用于高速光电探测器和THz混频器(THz混频器是一种超高速的光电探测器)中。响应度是高速光电探测器一个非常重要的物理量,它决定了转化的电信号能否被探测到和输出的THz能否可利用。响应度的大小与量子效率和光的透射率两个方面有关,因此,增加金属交叉电极高速探测器的量子效率和透射率是一个亟待解决的问题。谐振腔增强结构能在较薄的吸收层上得到很高的量子效率；金属交叉电极的间距减少到亚波长级别时,它还具有对光透射增强和充当反射镜的功能。本文把几种结构不同的金属交叉电极与谐振腔增强结构耦合起来,得到了高速、高响应度的高性能光电探测器。全文的研究内容主要包括以下几个方面：(1)研究了混频法产生THz波的基本原理,从THz混频器的工作原理出发推导出THz波输出功率的计算公式,分析了影响输出功率的因素,发现了增强量子效率是提高输出功率的最佳方法。然后提出了在普通THz混频器上耦合一个谐振腔增强结构,并分析了谐振腔结构对THz输出功率的影响。得到了谐振腔的最高量子效率为93%,以及它的低频THz波输出功率为非谐振腔结构的8倍。(2)推导了亚波长金属单狭缝的透射率计算公式,详细地分析了影响透射率的几种因素。根据亚波长金属单狭缝可以形成透射增强、充当反射镜和提供低电容电极的三重功能,提出了亚波长金属单狭缝的级联腔结构光电探测器。主要分析了金属狭缝对探测器性能的影响,狭缝的第一级谐振高度都为320nm,当狭缝的宽度为60nm时,级联腔结构探测器与普通结构的相比,响应度提高为80。并得到了此结构的3dB响应带宽为150GHz。(3)基于亚波长金属单狭缝光电探测器的应用局限性和亚波长金属光栅也具有的三重功能,以及金属薄层具有反射率高和制作工艺简单的特性,提出了亚波长金属光栅的级联腔结构光电探测器。对亚波长金属光栅的结构进行了优化,当光栅的周期为820nm、狭缝宽度为220nm和狭缝高度为272nm时,级联腔结构探测器的响应度是普通结构的27倍,此外,它的3dB响应带宽为220GHz。(4)根据缺陷亚波长金属光栅具有削弱水平方向的表面等离子体和减少谐振腔的顶部反射率的特点,提出了缺陷亚波长金属光栅耦合谐振腔结构的光电探测器。主要分析了缺陷的折射率对响应度的影响。优化参数后的探测器与普通光栅结构的相比,响应度提高为4.5。
伞海生[2]2006年在《透明导电薄膜CdIn_2O_4的研究和高速光电探测器频响的测量》文中指出(一)透明导电薄膜CdIn_2O_4薄膜光电特性的研究 采用射频反应溅射Cd-In靶在玻璃衬底上制备CdIn_2O_4(CIO)薄膜。理论上阐述了CIO薄膜的导电机理,分析了热处理前后氧空位、掺杂点缺陷和富氧电子陷阱在影响膜的载流子浓度和电子散射中所起的重要作用。同时,分析了高浓度的点缺陷对CIO氧化物薄膜的能带结构产生的重要影响,这些影响主要体现在带尾的形成,Burstcin-Moss(B-M)漂移和带隙收缩。 为了制备低电阻率、高透射率的大面积CIO薄膜,我们分别研究了溅射氧浓度和沉积衬底温度对CIO薄膜光电特性的影响。通过对薄膜的霍尔效应,Seebeck效应的测量,我们得到了薄膜的电学参数。通过对CIO薄膜的光谱进行研究,我们得到了薄膜在紫外、可见和红外区域的光学特性。大量的实验数据分析表明,CIO薄膜的带隙收缩效应对其光学带隙影响很大。为了获得准确的薄膜光学带隙,本文使用拟合法代替外推法确定薄膜的光学带隙。实验表明,当衬底温度T=280℃,氧分压为8%左右时,制备的CIO氧化物薄膜拥有最佳导电性和透光性。 (二)高速光电探测器超宽带频率响应测量技术的研究 利用光的相干特性测量高速光电探测器(诸如GaAs、InGaAs等半导体光电二极管)超宽带频率响应(光外差宽带频率响应测量技术),分别使用了双激光器技术、单激光器技术和自发辐射技术测量高速光电探测器响应带宽。 在论文中,我们重点研究了单激光器测量频响的技术,对实验封装的三段可调分布布拉格反射(DBR)激光器进行了深入研究。实验研究了可调DBR激光器的光谱特性,并分析了驱动电流噪音对可调DBR激光器线宽的影响。通过线宽和功率谱两种方法校准高速光电探测器的频率响应,测试的带宽高达上百GHz,实验结果证实了该方法的正确性。在利用自发辐射技术测量光电探测器频响时,我们研究了测量系统使用不同类型干涉计对探测器频响测量动态范围的影响。实验证明,系统使用光纤环行延时干涉计可以得到最大的测量灵敏度。
钟晓康[3]2018年在《基于CMOS工艺的单片光电探测器及其放大电路设计》文中指出近年来,随着光互连与光通信的快速发展,有着低成本、高性能与CMOS工艺兼容的单片光电集成电路(OEIC)光接收机已成为近年来的一个研究热点。因为光电探测器与前置放大器决定着OEIC光接收机的性能,所以本论文对标准CMOS工艺下的光电探测器与前置放大器进行了深入的研究,开展了以下工作:为提高OEIC光接收机的传输速率,本论文设计了一种与国内某晶圆代工厂0.18μm CMOS工艺兼容的高速光电探测器,并利用Atlas软件对该高速光电探测器与双光电探测器的结构进行了对比仿真。仿真结果表明:本论文设计的高速光电探测器的光电流、响应度以及量子效率均大于双光电探测器,但带宽小于双光电探测器。5V反向偏压下,该高速光电探测器在850nm的响应度为0.077A/W,寄生电容为1.16pF,-3dB带宽为538MHz。在流片之后对该高速光电探测器进行了测试,测试结果表明:5V反向偏压下,该高速光电探测器在850nm的响应度为0.0545A/W,寄生电容为2.97pF。虽然高速光电探测器的带宽大,但响应度小,这就限制了OEIC光接收机的灵敏度。为提高光电探测器的响应度,本论文设计了一种基于国外某晶圆代工厂0.35μm CMOS工艺的高响应度PIN光电探测器。首先利用Atlas软件仿真了本征层浓度和厚度对PIN光电探测器性能的影响情况。Atlas仿真表明:当工作电压与本征层厚度一定时,存在一个最佳的本征层浓度使得PIN光电探测器的响应度与带宽得到一个很好的折衷;本征层越厚,PIN光电探测器的响应度就越大,但带宽就越小。接着利用Cadence对该国外晶圆代工厂提供的PIN光电探测的器模型进行了仿真,并在流片后对PIN光电探测器进行了测试。Cadence仿真表明:面积为443μm×443μm与面积为1500μm×800μm的PIN光电探测器在5V反向偏压与905nm入射光的条件下,两种PIN探测器的响应度均为0.28A/W;随着反向偏压从0.5V增加到5V,面积为443μm×443μm的PIN光电探测器的寄生电容从4.71pF减小到了3.15pF。面积为1500μm×800μm的PIN光电探测器的寄生电容从22.8pF减小到了17.1pF。测试结果显示:5V反向偏压下,两种PIN光电探测器在905nm的响应度均约为0.28A/W,与仿真结果完全吻合;但两种PIN光电探测器的寄生电容均明显大于仿真值。最后,本论文利用辅助放大器改进技术对传统的RGC输入级进行了改进,提高了RGC输入级的反馈通路增益,从而降低了RGC输入级的输入电阻,提高了RGC输入级的带宽;后级的跨阻放大器采用了单级推挽结构;输出级采用了源极跟随器结构。Cadence仿真表明:RGC跨阻放大器的带宽为83MHz,增益达到89.3dBΩ,输出摆幅为77mV,输出上升和下降时间分别为4.48nS和4.54nS。在不同工艺角和-40~50℃温度条件下RGC跨阻放大器均能正常工作。
马玲玲[4]2017年在《高性能硅量子点石墨烯硅基光电探测器的研究》文中认为石墨烯独特的零带隙能带结构,使其从紫外到中红外很宽的频带内可以产生光生电子空穴对,且石墨烯内部的光学跃迁可以将光吸收范围拓宽至远红外,甚至太赫兹波段。凭借其优异的光学特性和电导率,石墨烯在光电探测方面有着广阔的应用前景。由于硅材料丰富的存储量和无毒性,硅基光电探测器成为光电探测器中研究最广的成员之一。目前,对硅基光电探测器的研究逐步成熟,制备工艺日趋完善,但是硅基光电探测器存在许多不足,如探测器的制备存在一定的技术瓶颈,探测器的探测信号较弱,探测范围仅300-1100nm等。因而,如何提高硅基光电探测器的性能成为亟待解决的问题。科学家们尝试使用掺杂来提高材料的性能,其中化学掺杂是最受欢迎的掺杂方法之一,但是化学掺杂不稳定,并且在掺杂过程中可能会对石墨烯造成破坏。另一方面,作为最重要的半导体材料的另一种类型,纳米尺寸的硅即硅量子点(Si-QDs)近年来获得了越来越多的关注。量子限域效应表明当量子点的粒径小于玻尔半径时,会具有异于体硅材料的能带结构和发光特性,这些特性使得硅量子点成为极其重要的荧光材料之一。而硼掺杂硅量子点在中红外波段有较强的吸收峰,这些特性使得量子点在光电探测方面有应用潜能。本文通过两种器件类型研究Si-QDs与石墨烯之间的相互作用,提高光电探测器的光电性能。主要研究成果如下:(一)研究了 Gr/Si肖特基结光电探测器的工作原理,石墨烯/硅在接触界面形成肖特基结,入射光照射后,在内建电场作用下光生电子空穴对分离,空穴向石墨烯转移,电子被硅收集,形成光生电流。通过公式拟合,计算出Gr/Si肖特基结的相关参数。并在此工艺基础上,用量子点对Gr/Si探测器进行性能优化,制备出Si-QDs/Gr/Si光电探测器,器件的性能优异。当入射光波长405 nm,功率密度为0.1mW/cm2,测得的光电流约为91nA,响应度约为0.36A/W。同时本文也对器件的响应速度进行测试,其中零偏压下时间响应为25ns。(二)在Si-QDs/Gr/Si探测器制备工艺的基础上,本文简化了工艺流程,将石墨烯转移到带有氧化硅衬底上并图形化,旋涂量子点,获得掺硼硅量子点/石墨烯超高增益宽频谱光电导探测器。其工作原理为:B-SiQDs本身对石墨烯n型掺杂,光照下P型掺杂,增加光吸收,提高光响应。经计算可得,响应度为109A/W(入射波长532nm,光功率密度为0.2μW/cm2),增益Gain高达1012,并且在375-1870 nm全波段内响应极高。同时在中红外波段(2.6-3.6μm)也有响应,主要由于B-SiQDs在这一波段有很强的局部表面等离子激元效应(LSPR)。这极大的拓宽了硅基光电探测器的探测范围,实现了硅基在中红外波段的探测。
朱海柯[5]2015年在《全硅高阶电光调制器与光电探测器的研究》文中研究表明在未来光通信系统中,光电混合集成是必然趋势,而作为光传输网络中电光、光电转换的关键器件,调制器和探测器的性能影响着整个光通信系统。硅基材料光器件以其低功耗、低成本、微型化和与传统CMOS工艺兼容的优势,已经成为光通信调制和探测技术发展中不可或缺的一部分。与传统非硅材料(如磷化铟、砷化镓等)相比,硅材料本身对光调制和吸收的效应较弱,如果对这两方面性能的提升进行研究,将会具有很大的学术价值和应用前景。本论文针对现有硅基调制器和探测器的不足,以全硅材料(即在器件制备中不使用除了硅、二氧化硅和金属铝电极以外的材料,使得制备工艺更简单、成本更低)为基础,在速率、功耗、尺寸等主要指标以及器件加工的可行性、简易性和工作稳定性上做了深入研究,为高性能全硅发送接收器的集成提供技术支撑。全硅电光调制器主要实现电信号到光信号的转换。本论文研究的调制器主要以马赫曾德尔干涉器结构为基础,以减小调制器尺寸、降低功耗、提升调制带宽和调制效率、降低信号误码率等性能为目标,同时兼顾其封装和与其它硅器件的芯片级集成等实用性。本论文研究的调制器,从设计模块来划分,包括器件的光学部分、电学部分和热光部分。调制器的光学部分包括调制单元和分光器。对于调制单元,重点分析受限于硅中心反演结构导致电光调制效应很弱的问题。通过在硅波导中嵌入p-n结,利用其在反向偏压下的等离子色散效应来实现快速、高效调制。对于分光器,重点解决马赫曾德尔两臂的光能量均衡性问题,以实现调制深度最大。通过采用多模干涉(MMI)结构,利用其自映像效应可以使得分光能量更均匀、分光器尺寸更小、插入损耗更低。调制器的电学部分则涉及行波电极与末端匹配电阻的设计。基于马赫曾德尔结构的调制器长度通常为几个毫米,需要考虑在信号传输方向上微波与光波的相位匹配和在波导横截面内微波模场与光波模场的交叠。通过对单驱动推挽式行波电极结构的设计,使得微波信号反射降低,调制器带宽提高。与行波电极设计需要同时考虑的是末端阻抗匹配设计,即在行波电极末端嵌入匹配电阻,以减小微波信号在电极末端的反射。本论文采用内嵌重掺杂硅电阻的设计,摸索出同等重掺杂浓度、宽度、深度下的最佳长度,以使得加工好的内嵌电阻的特征阻抗稳定在50Ω附近。调制器热光部分主要就是基于热光效应的移相器,本论文重点考虑如何在高阶调制中减少移相器数量和降低单个移相器π相移功率问题。高阶调制(如正交相移键控qpsk、正交幅度调制qam等)是指多幅度多相位调制,即与传统调制(如开关键控ook,二进制相移键控bpsk等)只对幅度或相位进行二进制控制的方法相比,可以成倍提高调制信号速率。而移相器的结构设计则是高阶调制器的关键环节之一。本论文通过研究不同移相器之间的相位关联性,采用组合控制手段实现qpsk调制,使得移相器数量比采用传统qpsk调制移相设计方法使用的数量减少三分之一。为了降低功耗,本论文还采用了深硅刻蚀隔热的方法以使其热量传播的方向性更好,产生的热量更集中于波导上,从而使得热移相效率更高。最后对制备的全硅高阶调制器进行了不同调制速率、不同调制格式的测试,信号格式包括ook、bpsk和qpsk,驱动信号速率包括10gb/s、20gb/s、25gb/s、32gb/s,并检验了64gb/s的qpsk调制信号经过10km标准单模光纤传输后的质量。与目前报道的全硅qpsk调制器相比,本论文提出的器件在满足了调制速率、误码率等主要指标的情况下,大幅缩小了器件的尺寸(<5mm2)、降低了功耗(~7.1pj/bit)、简化了测试系统,更有利于集成和封装。全硅光电探测器主要实现光信号到电信号的转换。探测器响应度和带宽是全硅光电探测器的核心指标,本论文围绕这两个核心指标,从硅材料特性、探测机理(表面态吸收、双光子吸收)和结类型(交趾型p-n结、n-p-n结、横向p-n结)等方面予以深入研究。由于受限于硅的间接能带结构,同时能隙大于通信波长光子能量,其光电转换效果很弱。而在硅波导表面,由于晶格周期性势场的破坏,在带隙中形成了多个新的能级,从而可发生表面态吸收(ssa)过程产生光电流。另外,在硅微盘谐振腔结构中,存储的强光能量会导致非线性效应,从而可发生双光子吸收(tpa)过程产生光电流。但全硅探测响应度仍然较商用探测器低,需要通过电流增益效应来增强光电流。本论文主要设计并制备了四种全硅探测器:交趾型p-n结波导探测器、n-p-n结波导探测器、交趾型p-n结微盘探测器、横向p-n结微盘探测器。首先,基于SSA效应,本论文设计了一种在波导中嵌入交趾型p-n结的波导探测器。交趾型p-n结是在与硅波导中光传播方向垂直的横截面内嵌入的一种p-n结。在反向偏压下,由于交趾型p-n结内强电场对硅波导表面的大范围覆盖,光电流获得的有效增益得到增加,比起传统的嵌入p-i-n结和横向p-n结方式有了较大提升。为了进一步提高基于SSA效应的硅波导探测器性能,本论文通过缩小波导宽度来提高光能量在波导侧壁的吸收,通过增加掺杂浓度来增强雪崩效应和通过缩短器件长度来提高带宽,同时通过选择合适的工作偏压来平衡器件的性能和稳定性。其次,同样基于SSA效应,本论文还研究了n-p-n结波导探测器。与前一种使用雪崩效应进行电流放大的探测器不同,此结构利用晶体管增益的方式,以实现更低偏压下光电流的线性放大。同时由于不需要离子化积累过程,电流放大过程中无过剩噪声影响。再次,本论文还设计了基于TPA效应的交趾型p-n结微盘探测器,在较低掺杂浓度的结内强电场、大耗尽区域作用下,由于自由载流子浓度的大幅度降低,自由载流子吸收(FCA)效应被有效抑制,从而使得探测响应度增加。最后,仍然基于TPA效应,本论文设计了横向p-n结微盘探测器,主要思路是在微盘上特殊设计横向p-n结的位置,使得微盘中的回音壁模式(WGMs)光模场与电场的重叠最大化,从而使电流获得谐振增强放大。与目前报道的全硅光电探测器相比,本论文提出的全硅探测器件具有探测响应度更高(>2A/W)、增益带宽积更大(>1THz)等特点,同时制备简单、设计灵活、集成方便。最后本论文对所有的研究内容做了总结,并对未来硅基光器件的发展方向和趋势做了论述。
陈斌[6]2012年在《碳化硅MSM紫外探测器结构优化与温度特性研究》文中研究表明第三代半导体材料碳化硅(SiC)具有禁带宽度大、击穿电场高、介电常数低、热稳定性好等特点，在高频大功率电子器件以及耐高温光电器件方面呈现出极大的潜力。随着紫外探测技术的快速发展，高性能紫外探测器逐渐成为研究热点。SiC基金属-半导体-金属(MSM)紫外探测器具有暗电流低、响应速度快、易于集成等特点，在导弹追踪、火灾探测、臭氧层监测、紫外天文学等军民两用领域具有广阔的应用前景，受到广泛的关注。MSM紫外探测器的电极分布对入射光具有遮光效应，从而对器件的光电特性产生一定负面影响。为了提高探测器的性能，在改善材料质量、提高制备工艺水平的同时，选择合理的器件参数、研究新型的探测器结构以便增强光的入射是一种有效的技术手段。鉴于国内光电探测器的研究现状，本文从物理建模、数值仿真、理论分析、结构优化等方面对SiC MSM紫外探测器的光电特性及温度特性开展了系统的研究，并取得了以下研究成果：1.基于热电子发射理论，建立了6H-SiC MSM结构紫外探测器的器件模型。对金属叉指宽度和间距均为3μm的器件进行了仿真，结果表明该结构探测器在10V偏压下暗电流已经达到15pA。器件的光电流比暗电流大2个数量级。通过仿真优化了器件结构，结果表明电极宽度和间距分别为6μm和3μm的探测器具有最大光电流。电极宽度为3μm，电极间距为6μm的器件具有最高的紫外可见光比。2.使用数值计算方法建立了4H-SiC MSM结构紫外光探测器的二维模型。通过求解泊松方程、电流连续性方程及电流密度方程计算了该探测器的响应度特性。考虑到金属电极对紫外光的反射和吸收，详细研究了各种器件参数对光谱响应的影响并分析了其工作机理。结果表明响应度与电极高度成反比并随电极间距和宽度的增加而增大。各种结构的探测器紫外可见光比均达到3个数量级。结构优化表明电极高度为50nm、电极宽度和间距为3μm和9μm的探测器在10V偏压下具有最高响应度180.056mA/W，同时该探测器的峰值量子效率和最大紫外可见光比分别为77.93%和1875。3.建立了新型三角形电极MSM探测器仿真模型，并对其I-V特性进行了研究。与传统结构MSM探测器相比，探测器光电流输出增加了113%，而暗电流没有明显增大。电极的角度、间距和宽度对增强探测器的光入射效果起着重要的作用。仿真结果表明在30V偏压和310nm光照条件下，三角形电极底角、宽度和间距分别为60°、3μm和4μm的探测器具有最高紫外可见光比、较高的响应度和量子效率，其数值分别为13049、0.1712A/W和68.48%。4.基于漂移-扩散模型、迁移率模型、复合模型、势垒降低模型、光产生与吸收模型，建立了新型半圆形电极MSM探测器的器件模型，研究了探测器结构变化对光谱响应特性的影响。为了实现最佳光电探测性能，对半圆形电极结构进行了优化。结果表明电极半径为2μm，电极间距为3μm的探测器在290nm光照条件下具有0.177A/W的峰值响应度，75%的外量子效率，同时在0.3V偏压条件下归一化光暗电流对比度达到1.192×10~(11)1/W。5.利用热动力、流体动力以及与温度相关的材料吸收系数模型研究了4H-SiCMSM紫外探测器的温度特性。仿真结果表明探测器的暗电流与光电流均随温度升高而增大，且暗电流的增幅高于光电流从而导致了探测器电流比率的降低。在温度为800k偏压为5V以及300nm紫外光照射条件下，探测器的电流比率仍达到2个数量级。量子效率随温度升高而增大且峰值均位于280nm。光谱响应特性随温度的升高呈现不对称的趋势，长波方向上探测器的响应度不断提高并且峰值出现12nm的红移。对于高光子能量的短波长紫外辐射，光谱响应并未随温度的上升出现显著变化。
霍天成[7]2014年在《基于线性扫频和光计算的高速光学相干层析成像》文中研究说明本论文的工作发轫于对传统扫频光学相干层析成像(Swept-source Optical Coherence Tomography,SS-OCT)系统本身的研究,而后扩展到对快速扫频光源的探讨,并最终基于对光学相干层析(Optical Coherence Tomography,OCT)技术本身的深刻理解提出了一种超越OCT研究领域的时序光计算方法,并取得了具有特色的研究成果。首先,在扫频激光器的研究方面,传统扫频OCT一般需要通过波数线性化矫正和重采样等后期数据处理才能由快速傅里叶变换重构出生物样品结构信息。该过程因计算量大,成为制约高速成像的瓶颈。同时,传统扫频激光器普遍采用机械运动装置选频,因惯性制约而难以实现高速波长扫描。本文首次提出并研制了基于声光偏转器的高速扫频激光器,可直接获得线性扫频的激光信号,省去了复杂的数据处理过程,大大提升了成像速度。同时,利用声光相互作用的快速响应特性,实现了输出激光频率的超高速线性调谐,最高速率可达2 MHz。其次,在1550nm中心波长时间拉伸型扫频光源的研究方面,传统的时间拉伸型光源以光纤为色散介质,不能实现频率随时间的线性输出,线扫描速率也基本在8 MHz以下。本文首次提出并研制了基于线性啁啾光纤布拉格光栅和光纤缓冲器的40 MHz线扫描速率的扫频光源,可实现频率随时间线性输出。利用此光源,在A-line信号不做任何平均化操作的条件下,实现了40 MHz扫描速率的生物结构的高信噪比超高速成像。据我们所知,这是目前世界上1550nm中心波长扫频光源中,线扫描速率的最高记录。特别是,基于对色散傅里叶变换和扫频OCT系统的深刻理解,我们创造性地提出了时序光计算的概念,并将其与传统的光谱OCT和扫频OCT的原理相结合,从理论和实验上发展出光谱时序光计算技术和扫频时序光计算技术。该两项技术通过光学傅里叶变换,可直接提取生物结构信息,无需高速A/D采样、传输和大数据处理,从根本上解决了目前高速OCT系统面临的海量数据处理的基本困难,实现了真正意义上的实时三维成像。本论文的研究结果充分表明,随着线性扫频激光器的发展和光计算技术的出现,高速、实时、高分辨、无损的OCT成像,将有望实现革命性的进步,并将在其它相关领域产生深远的影响,而其发展历程也必将给人们以长久的启迪。
肖新东[8]2011年在《高速高灵敏度CMOS光接收机研究与实现》文中指出单片光电集成(OEIC)是实现高速大容量光通信的根本出路,与混合集成光接收机相比,单片CMOS光电集成接收机不仅可以大大降低接收机的成本,而且最大限度地消除了封装和模块间互连所产生的寄生元件及外界环境的电磁干扰和噪声,提高了接收机的性能。同时该技术还具有体积小、成品率高、可靠性好和可以实现更为丰富的电路功能等优点。为推进光纤到户的商业化以满足人们对生活舒适和便利的追求,学者们近年来基于标准CMOS技术开展了大量单片光电集成接收机的研究。为了克服CMOS工艺下光接收机灵敏度和工作速率低的缺点,本论文展开了以下工作:1、设计了一种与标准CMOS工艺兼容的P+/深N阱/P衬底双光电探测器,该光电探测器在特许半导体0.35μm工艺实现,在850nm波长的入射光下,该光电探测器的响应度和本征带宽分别为16.3mA/W和301MHz。2、提出了一种与标准CMOS工艺兼容的MSM光电探测器,MSM光电探测器由两个背靠背的肖特基二极管构成。使用特许半导体0.35μm工艺实现了一个由金属1和N阱形成的MSM光电探测器,该光电探测器响应度为0.21A/W,本征带宽为919MHz。3、设计实现了一种结合P+/深N阱-N+/深P阱差分光电探测器的差分共源光接收机,该光接收机通过特许半导体0.35μm工艺流片实现,光接收机在光功率为-11dBm的输入光信号下,能够传输1.5Gb/s的数据,眼图开眼清晰。4、设计实现了一种与P+/深N阱/P衬底双光电探测器结合的RGC光接收机,通过RGC电路的低输入阻抗和宽带宽提高光接收机的工作速率。RGC光接收机能够传输1Gb/s的数据,带宽为821MHz。5、提出了一种在标准CMOS工艺下实现的MSM光电探测器与带有源反馈跨阻放大器的单片集成光接收机。由于MSM光电探测器的高响应度和带有源反馈跨阻放大器的宽带宽,此种单片集成光接收机的灵敏度和速度都有较大的提高。该光接收机实现了-15dBm的灵敏度和2Gb/s的数据传输速率。
龙明生[9]2017年在《基于新型二维材料及异质结光电探测器的研究》文中认为近些年来,二维材料的广泛研究是继石墨烯(graphene)的发现并证实它能够在室温下稳定存在之后。人们相继发现其他多种二维材料,例如氮化硼(BN)、过渡金属硫族化合物(TMDs)、黑磷(b-P)及黑磷合金等,这些新型二维材料的发现引起了人们极大的关注。由于这些新型二维层状材料具有不同的带隙大小,因而可以将其分为绝缘体、半导体和半金属。这些新型二维材料分别具有各自的优异性质和不足。所幸运的是,便捷的二维材料异质结制作和组装技术的发展,使得这些二维材料相互弥补不足和发挥优势。可以通过任意堆叠次序不同的二维材料形成的异质结。从而我们能够使用异质结研究一些基础物理和器件性能。从而使得人们能够在研究人工结构材料上获得重大的突破。石墨烯具有线性色散关系、无质量狄拉克费米子、高迁移率和无带隙性质。更重要的是石墨烯具有相对较强的光吸收,单原子层吸收2.3%并与层数无关。这些优异的物理性质使得石墨烯材料在光探测尤其是红外波段光探测和高频器件具有很好的应用前景。最近新发现的黑磷(b-P)和黑砷磷(b-AsP)合金块体材料带隙在0.3-0.1电子伏,同时黑磷晶体的结构对称性较低,具有较强的各向异性和对偏振光的偏振角度的灵敏依赖。另外黑磷是p-型的二维半导体材料,具有较高的空穴迁移率,使得黑磷是中波红外光探测的和偏振光灵敏探测的理想材料。然而,目前研究最为广泛的过渡金属硫族化合物,由于其具有中等带隙主要的光电响应波段位于可见波段和近红外波段,而且过渡金属硫族化合物具有很强的光与物质相互作用、较大的开关比和比较稳定的性质等。有望被用于下一代新型逻辑器件和光电子器件。人们在TMDs中发现了很多新奇的物理现象和潜在的器件应用价值。氮化硼具有较大带隙～6.0 eV,对应深紫外波段,属于二维绝缘体材料,具有较好的介电性能和原子级平整的衬底,是其他二维半导体材料的很好的保护层,能够屏蔽散射获得较高的电子迁移率。随着研究的深入,有更多的二维材料等待我们研究发现,有更优异的性质需要开发利用为人们更好的服务。本论文主要研究二维材料及其异质结光电探测,通过设计和制作异质结器件,实现光探测中的新的功能和提高探测器的综合性能。目前研究最广泛的半导体二维材料主要是过渡金属硫族化合物,由于硫族元素易形成空位,从而容易实现电子型掺杂,因此过渡金属硫族化合物大部分是n-型半导体和双极性材料。P-n结具有本征的内建电场是逻辑器件和实现高灵敏光探测的最基本的需求。目前p-型掺杂的二维材料过渡金属硫族化合物还很少,形成能带结构匹配较好的p-n结,实现p-型掺杂是目前需要解决的重点之一。对于高灵敏的光电探测,p-n结的内建电场能够有效降低暗电流和有效分离光生载流子。制作高质量的p-n在光电探测领域是迫切需要的。我们通过掺杂Ta实现WSe2载流子类型的调控。较强的p-型二维半导体材料是实现原子层厚度p-n结的技术关键。高质量的p-n结是实现逻辑器件和光伏型探测的基础。通过设计p-g-n型异质结器件,实现宽波段红外探测,利用石墨烯的无带隙性质,实现宽波段吸收。通常石墨烯内光生载流子的寿命比较短,在内建电场作用下可以有效实现两种载流子的快速分离。空间上的分离能够有效提高载流子的寿命,同时内建电场有效减低暗电流,从而减小噪声。因而p-g-n实现高灵敏宽波段光电探测。中波红外在红外探测在军事和导弹制导追踪等具有重要应用价值。目前,所使用的中波红外探测器需要在低温下工作,需要液氮制冷,使用成本增加和条件苛刻不利于便捷使用。迫切需要发展和研究室温便捷的中波红外探测器。应用窄带隙b-AsP场效应管和b-AsP-MoS2异质结实现高灵敏室温中波红外探测。在窄带隙二维层状材料的合成如PtSe2等和器件应用做了一些探索。在第三章中,首先我们设计p-g-n型异质结宽波段光电探测器。结合包括拉曼(Raman)、光致发光(PL)、原子力显微镜(AFM)和光学显微镜对样品的层数和薄膜质量进行了表征。通过微区定点转移技术,实现多层异质结器件的制作。使用具有较大功函数金属,例如金属钯、铂、金等实现WSe2的p-型掺杂调控。与费米面钉扎较强的MoS2形成很好的p-n结。中间层的无带隙的石墨烯可以有效扩展响应的带宽。同时p-g-n异质结还可以使用高迁移率石墨烯作为透明电极,实现分离后的载流子快速分离。通过设计这种p-g-n异质结,我们实现室温下探测波段从400nm-2400nm的宽波段探测。光电响应率高达4250AW-1,比探测了高达1015 Jones。这些高灵敏的光探测可以实现光电流成像,较高分辨率的图像获得。同时我们还研究了光电响应机制研究,通过可见光和近红外光电流空间成像,得出我们器件的光响应是主要来自p-g-n的内建电场的结区。另外,背栅和偏置电压对光电响应具有较好的调制作用。第四章中我们深入研究了窄带隙、高迁移率的黑砷磷合金(b-As0.83P0.17)场效应器件和黑磷砷合金与硫化钼(b-Aso.83P0.17-MoS2)异质结器件的中波红外光探测性能。重点研究b-As0.83P0.17场效应管器件从可见光到中波红外的光电响应的机制,得出光伏效应是红外波段光电探测的主要机制。通过在黑磷材料中掺杂砷元素并进行砷成分调控,实现83%的砷掺杂的黑砷磷样品。通过样品吸收光谱的研究发现b-As0.83Po.17带隙为～0.15 eV,光学吸收边位于1250 cm-1。探测的探测波段从可见波段到中波红外400 nm-8.05 um。我们研究了 b-As0.83P0.17-MoS2异质结的光电响应,异质结有效降低了暗电流。另外我们研究了异质结器件的噪声谱,在异质结器件中噪声功率比b-As0.83P0.17的场效应器件噪声功率密度小两个数量级。这说明异质结器件能够有效降低暗电流和噪声功率,有效提高器件的灵敏度。同时b-As0.83P0.17的样品具有较强的电学和光电响应的各向异性,因而对偏振光的偏振角度有灵敏的依赖。我们得到的b-AS0.83P0.17的场效应器件比探测率在所测波段400 nm-8.05 um都高于108 Jones。对于异质结器件从400 nm-4.3 um比探测率高于4.9×1 09 Jones。第五章新型过渡金属硫族化合物生长的探索和窄带隙材料的合成主要包括以下几个部分内容,其一,通过Ta掺杂实现本征P-型WSe2;其二,CVT合成WSe2纳米线;其三,探索窄带隙低维材料生长合成,主要包含掺杂的黑磷样品、CVT方法生长窄带隙PtSe2和CVD法硒化金属铂获得PtSe2。采用CVT的方法生长出了 p-型的Ta掺杂的WSe2单晶,具有良好的p-型导电性质。通过微区定点转移制备的Ta0.01W0.99Se2-MoS2异质结和Tao.01W0.99Se2-WSe2同质结,这些器件表现出理想的二极管性能,理想因子～1,整流比达到105。光电响应实验进一步证明异质结界面质量良好。组内合作研究了新型二维材料异质结ReS2-BN高灵敏弱光探测器和WSe2-graphene异质结光电探测器表现出很好的光电响应。最后一章中,我们总结了一下前面论文中的一些重要结果,对目前已取得的进展及面临的一些问题进行讨论与分析,并且希望来能够继续推进未完成的工作,在二维材料光电探测的研究方向做出更大的贡献。
李梦[10]2015年在《SOI基CMOS RCE光电探测器结构与特性研究》文中研究指明近年来,光互连技术以高速、高带宽、低串扰和低功耗等优势备受关注,尤其是在甚短距离光传输领域中。CMOS集成电路及工艺平台推动了硅基光电探测器、CMOS光接收电路乃至集成光系统的发展,高速高灵敏度的850nm光波长CMOS光电探测器结构及模型成为实施甚短距离光互连的关键之一。因此,研究SOI CMOS兼容的高性能的光电探测器,及其相关工艺、制造,具有非常重要的现实意义。本文以SOI CMOS工艺为载体,提出可用于850nm波长光电集成电路(OEIC)的高速高灵敏度低成本的SOI基谐振腔增强型(Resonant Cavity Enhanced Photodetector:RCE)光电探测器结构,对光电探测器的工艺实现、器件结构、软件仿真及版图设计等方面展开研究工作。主要的研究工作及创新点如下:1、提出了一种新的SOI基CMOS谐振腔增强型光电探测器结构,以0.5μmCMOS工艺为工艺流程载体,给出优化的SOI基光电探测器结构参数,力求解决硅基光电探测器量子效率低和工作带宽窄的问题;2、研究SOI基光电探测器的光电转换机理及载流子特性,建立精确的谐振腔增强型光电探测器模型,对器件所用到的Si片材料、谐振腔的DBR反射镜以及整体结构等作了研究和分析,实现模型与物理结构尺寸之间的可缩放性映射。并基于MATLAB与TCAD软件进行数值模型仿真与工艺仿真的结果进行对比;3、考察SOI基谐振腔增强型光电探测器物理尺寸多维变化对其性能的影响,将顶部有“网格状有源区”结构、“条栅状有源区”结构加入DBR反射镜的分析和设计中,通过优化设计出光纤通信用SOI基CMOS RCE光电探测器;4、设计了多种SOI基CMOS RCE光电探测器的版图设计,包括三种面积尺寸30μm*30μm、40μm*40μm、50μm*50μm结构,两种有源区结构:条栅型的P+结构、网格型的N+结构,以及4种有源区间距0.8μm、0.9μm、1.0μm、1.1μm结构,因此共有24个不同光电探测器结构。通过全文的研究,以及TCAD仿真和MATLAB仿真对比分析,结果表明SOI基CMOS RCE光电探测器的正确性,相比于普通CMOS光电探测器,其量子效率提高了100%。另外与现有CMOS工艺兼容,也降低了生产难度及成本。本文的研究工作为今后进一步RCE光电探测器的研究及生产积累了一定的技术经验,通过系统的分析RCE光电探测器的研发流程,为其研究及量产打下了基础。
参考文献：
[1]. 基于金属交叉电极耦合谐振腔增强结构的高性能光电探测器研究[D]. 杜鸣笛. 华中科技大学. 2014
[2]. 透明导电薄膜CdIn_2O_4的研究和高速光电探测器频响的测量[D]. 伞海生. 兰州大学. 2006
[3]. 基于CMOS工艺的单片光电探测器及其放大电路设计[D]. 钟晓康. 电子科技大学. 2018
[4]. 高性能硅量子点石墨烯硅基光电探测器的研究[D]. 马玲玲. 浙江大学. 2017
[5]. 全硅高阶电光调制器与光电探测器的研究[D]. 朱海柯. 上海交通大学. 2015
[6]. 碳化硅MSM紫外探测器结构优化与温度特性研究[D]. 陈斌. 西安电子科技大学. 2012
[7]. 基于线性扫频和光计算的高速光学相干层析成像[D]. 霍天成. 清华大学. 2014
[8]. 高速高灵敏度CMOS光接收机研究与实现[D]. 肖新东. 天津大学. 2011
[9]. 基于新型二维材料及异质结光电探测器的研究[D]. 龙明生. 南京大学. 2017
[10]. SOI基CMOS RCE光电探测器结构与特性研究[D]. 李梦. 杭州电子科技大学. 2015
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