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雪崩光電探測(cè)�
閱讀�8680�(shí)間:2011-04-21 17:42:55

  光電探測(cè)器是將光信號(hào)�(zhuǎn)�?yōu)殡娦�?hào)的器�,雪崩光電探�(cè)器采用的即是雪崩光電二極�(APD),能夠具有更大的響應(yīng)�。APD將主要應(yīng)用于�(zhǎng)距離或接收光功率受到其它限制而較小的光纖通信系統(tǒng)。目前很多光器件專家�(duì)APD的前景十分看好,�(rèn)為APD的研究對(duì)于增�(qiáng)相關(guān)�(lǐng)域的國際�(jìng)�(zhēng)�,是十分必要的�

材料

  1)Si

  Si材料技�(shù)是一種成熟技�(shù),廣泛應(yīng)用于微電子領(lǐng)域,但并不適合制備目前光通信�(lǐng)域普遍接受的1.31mm,1.55mm波長(zhǎng)范圍的器��

  2)Ge

  Ge APD雖然光譜響應(yīng)適合光纖傳輸?shù)蛽p�、低色散的要�,但在制備工藝中存在很大的困難。而且,Ge的電子和空穴的離化率比率� )接�1,因此很難制備出高性能的APD器件�

  3)In0.53Ga0.47As/InP

  選擇In0.53Ga0.47As作為APD的光吸收�,InP作為倍增�,是一種比較有效的方法[2]。In0.53Ga0.47As材料的吸收峰值在1.65mm, �1.31mm,1.55mm 波長(zhǎng)有約�104cm-1高吸收系�(shù),是目前光探�(cè)器吸收層材料。In0.53Ga0.47As光電二極管比起Ge光電二極�,有如下�(yōu)�(diǎn):(1)In0.53Ga0.47As是直接帶隙半�(dǎo)�,吸收系�(shù)高;�2)In0.53Ga0.47As介電常數(shù)比Ge�,要得到與Ge光電二極管相同的量子效率和電�,可以減少In0.53Ga0.47As耗盡層的厚度,因此可以預(yù)期In0.53Ga0.47As/InP光二極管具有高的效應(yīng)和響�(yīng);(3)電子和空穴的離化率比率� )不�1,也就是說In0.53Ga0.47As/InP APD噪聲較低;(4)In0.53Ga0.47As與InP晶格完全匹配,用MOCVD方法在InP襯底上可以生�(zhǎng)出高�(zhì)量的In0.53Ga0.47As外延�,可以顯著的降低通過p-n�(jié)的暗電流。(5)In0.53Ga0.47As/InP異質(zhì)�(jié)�(gòu)外延技�(shù),很容易在吸收區(qū)生長(zhǎng)較高帶隙的窗口層,由此可以消除表面復(fù)合對(duì)量子效率的影��

  4)InGaAsP/InP

  選擇InGaAsP作為光吸收層,InP作為倍增�,可以制備響應(yīng)波長(zhǎng)�1-1.4mm,高量子效率,低暗電�,高雪崩增益得的APD。通過選擇不同的合金組�,滿足對(duì)特定波長(zhǎng)的性能�

  )InGaAs/InAlAs

  In0.52Al0.48As材料帶隙寬(1.47 eV�,在1.55 mm 波長(zhǎng)范圍不吸收,有證�(jù)顯示,薄In0.52Al0.48As外延層在純電子注入的條件下,作為倍增層材�,可以獲得比InP更好的增益特��

  6)InGaAs/InGaAs(P�/InAlAs和InGaAs/In(Al)GaAs/InAlAs

  材料的碰撞離化率是影響APD性能的重要因�。研究表明[6],可以通過引入InGaAs(P�/InAlAs� In(Al)GaAs/InAlAs超晶格結(jié)�(gòu)提高倍增層的碰撞離化�。應(yīng)用超晶格�(jié)�(gòu)這一能帶工程可以人為控制�(dǎo)帶和�(jià)帶值間的非�(duì)稱性帶邊不連續(xù)�,并保證�(dǎo)帶不連續(xù)性遠(yuǎn)�(yuǎn)大于�(jià)帶不連續(xù)性(ΔEc>>ΔEv�。與InGaAs體材料相比,InGaAs/InAlAs量子阱電子離化率(a)明顯增加,電子和空穴獲得了額外能�,由于ΔEc>>ΔEv,可以預(yù)期電子所獲得的能量使電子離化率的增加量遠(yuǎn)�(yuǎn)大于空穴能量�(duì)空穴離化�(b)的貢�(xiàn),電子離化率與空穴離化率的比率(k)增�。因�,應(yīng)用超晶格�(jié)�(gòu)可以獲得大的增益-帶寬積(GBW)和低噪聲性能。然�,這種可以使k值增加的InGaAs/InAlAs量子阱結(jié)�(gòu)APD很難�(yīng)用在光接收機(jī)�。這是�?yàn)橛绊戫憫?yīng)度的倍增因子受限于暗電流,而不是倍增噪聲。在此結(jié)�(gòu)�,暗電流主要是由窄帶隙的InGaAs阱層的隧道效�(yīng)引起,因�,引入寬帶隙的四元合�,比如InGaAsP或InAlGaAs,代替InGaAs作為量子阱結(jié)�(gòu)的阱層可以抑制暗電流�

  在相同的電場(chǎng)下,超晶格結(jié)�(gòu)可以大大提高k,表明超晶格結(jié)�(gòu) 的器件具有更大的信噪比。研究表�,InAlGaAs/InAlAs量子阱結(jié)�(gòu)的平均能隙為1.32 eV, InAlGaAs和InAlAs的帶隙值分別為1.13 eV�1.47 eV,量子阱結(jié)�(gòu)的能隙值介于InAlGaAs和InAlAs的帶隙值之間。量子阱�(jié)�(gòu)的空穴離化率近似等于InAlGaAs和InAlAs空穴離化率的平均�,因此InAlGaAs/InAlAs�(jié)�(gòu)的空穴離化率可以用帶隙差來很好的解釋。然而對(duì)于電子離化率來說,量子阱�(jié)�(gòu)比InAlGaAs和InAlAs的值都�。這種差異表明電子碰撞離化率的增加是由于大的導(dǎo)帶差(ΔEc)引起的。在InGaAsP/InAlAs 異質(zhì)�(jié)�,這種大的�(dǎo)帶差更為明顯,而價(jià)帶的差異通過P的引入幾乎消�,預(yù)期InGaAsP/InAlAs APD具有更大的電子碰撞離化率�

芯片�(jié)�(gòu)

  合理的芯片結(jié)�(gòu)是高性能器件的基本保證。APD�(jié)�(gòu)�(shè)�(jì)主要考慮RC�(shí)間常�(shù),在異�(zhì)�(jié)界面的空穴俘�,載流子通過耗盡區(qū)的渡越時(shí)間等因素。下面對(duì)其結(jié)�(gòu)的發(fā)展作一綜述�

  1)基本結(jié)�(gòu)

  最�(jiǎn)單的APD�(jié)�(gòu)是在PIN光電二極管的基礎(chǔ)�,對(duì)P區(qū)和N區(qū)都�(jìn)行了�?fù)诫s,在鄰近P區(qū)或N區(qū)引�(jìn)n型或p型倍憎區(qū),以�(chǎn)生二次電子和空穴�(duì),從而實(shí)�(xiàn)�(duì)一次光電流的放大作用。對(duì)于InP 系列材料來說,由于空穴碰撞電離系�(shù)大于電子碰撞電離系數(shù),通常將N型摻雜的增益區(qū)置于P區(qū)的位�。在理想情況�,只有空穴注入到增益區(qū),所以稱這種�(jié)�(gòu)為空穴注入型�(jié)�(gòu)�

  2)吸收和增益區(qū)分開

  由于InP寬帶隙特性(InP�1.35eV, InGaAs�0.75eV�,通常以InP為增益區(qū)材料,InGaAs為吸收區(qū)材料�

  3)分別吸收、漸�、增益(SAGM)結(jié)�(gòu)的提�

  目前商品化的APD器件大都采用InP/InGaAs材料,InGaAs作為吸收�,InP在較高電�(chǎng)�(>5x105V/cm)下而不被擊�,可以作為增益區(qū)材料。對(duì)于該材料� 所以這種APD的設(shè)�(jì)是雪崩過程由空穴碰撞而在n型InP中形�??紤]到InP和InGaAs的帶隙差別較�,�(jià)帶上大約0.4eV的能�(jí)差使得在InGaAs吸收層中�(chǎn)生的空穴,在�(dá)到InP倍增層之前在異質(zhì)�(jié)邊緣受到阻礙而速度大大減少,從而這種 APD的響�(yīng)�(shí)間長(zhǎng),帶寬很窄。這�(gè)問題可以在兩種材料之間加InGaAsP過渡層而得到解��

  4)分別吸收、漸�、電荷和增益(SAGCM)結(jié)�(gòu)的提�

  為了�(jìn)一步調(diào)節(jié)吸收層和增益層的電場(chǎng)分布,在器件�(shè)�(jì)中引入了電荷�,這種改�(jìn)大大的提高了器件速率和響�(yīng)度�

  5)諧振腔增強(qiáng)� (RCE) SAGCM�(jié)�(gòu)

  在以上傳�(tǒng)探測(cè)器的�(yōu)化設(shè)�(jì)�,必須面臨這樣一�(gè)事實(shí):即吸收層的厚度�(duì)器件速率和量子效率是一�(gè)矛盾的因�。薄的吸收層厚度可以減少載流子渡越時(shí)間,因此可以獲得大的帶寬;然而,同時(shí)為了得到更高的量子效�,需要吸收層具有足夠的厚度。解決這�(gè)問題可以采用諧振腔(RCE)結(jié)�(gòu),即在器件的底部和頂部設(shè)�(jì)DBR (distributed Bragg Reflector)。這種DBR反射鏡在�(jié)�(gòu)上包括低折射率和高折射率的兩種材�,二者交替生�(zhǎng),各層厚度滿足在半導(dǎo)體中入射光波�(zhǎng)�1/4。這種諧振腔結(jié)�(gòu)的探�(cè)器在滿足速率要求的前提下,吸收層厚度可以做得很薄,而且電子在經(jīng)過多次反射后,量子效率增��

  由于GaAs/AlAs諧振腔工藝的成熟,目前這種�(jié)�(gòu)的器件以GaAs/AlGaAs材料為最�,增�-帶寬�300GHz以上。InP/InGaAs諧振腔由于InP和InGaAs兩種材料折射率差較小,使得工藝變得復(fù)�,因此以InP為基材料的諧振腔增強(qiáng)型探�(cè)器實(shí)用化的很�。當(dāng)然可以利用鍵合技�(shù),應(yīng)用GaAs/AlAs的成熟工�,制備以InP為基材料的諧振腔增強(qiáng)型探�(cè)�。近年來又出�(xiàn)了以InAlGaAs/InAlAs或者InGaAs(P)/InAlAs材料的DBR,其波�(zhǎng)位于我們感興趣的波�(zhǎng)范圍,受到研究和開發(fā)人員的廣泛關(guān)�。用MBE(分子束外�)生長(zhǎng)的器件結(jié)�(gòu)包括半絕緣的InP襯底,DBR反射鏡(30�(duì)各層厚度為�/4的InGaAs/InAlAs�,未摻雜的InAlAs倍增�,P型摻雜的InAlAs電荷�,電荷層的作用是確保60 nm厚的InAlAs吸收層的電場(chǎng)不高�105 V/cm,保證器件高速率特性。生�(zhǎng)的是未摻雜的InAlAs空間層和P+-InAlAs頂層,其厚度都�(jìn)行了�(yōu)化設(shè)�(jì)以確保器件在特定波長(zhǎng)都具有的響應(yīng)度�

  這種�(jié)�(gòu)的器件可以獲得小�10 nA的低暗電�,在單位增益的條件下,可以獲�70%的峰值量子效率。噪聲測(cè)量表明該器件具有非常低的噪聲特性(k~0.18�,這�(gè)值比以InP為基材料的APD高很�,顯示了InAlAs系列材料在低噪聲器件方面的巨大潛��

  6)邊耦合的波�(dǎo)�(jié)�(gòu) (WG-APD)

  另一種解決吸收層厚度�(duì)器件速率和量子效率不同影響的矛盾的方案是引入邊耦合波導(dǎo)�(jié)�(gòu)。這種�(jié)�(gòu)從側(cè)面�(jìn)�,因?yàn)槲諏雍荛L(zhǎng),容易獲得高量子效率,同�(shí),吸收層可以做得很薄,降低載流子得渡越時(shí)�。因�,這種�(jié)�(gòu)解決了帶寬和效率�(duì)吸收層厚度的不同依賴�(guān)系,有望�(shí)�(xiàn)高速率,高量子效率的APD。WG-APD在工藝上較RCE APD�(jiǎn)�,省去了DBR反射鏡的�(fù)雜制備工�。因�,在�(shí)用化�(lǐng)域更具有可行性,適用于共平面光連接�

  �5給出了InGaAs/InAlAs SACM WG-APD�(jié)�(gòu)示意圖[12]。該器件是用MOCVD方法,在S-摻雜的(100)InP襯底�,生�(zhǎng)100 nm N型InP過渡層,再生�(zhǎng)一層N-型InAlAs��150nm的倍增層是采用非故意摻雜的InAlAs材料。Zn摻雜濃度�2.1×1017 cm-3 �180 nm電荷層的作用是調(diào)整電�(chǎng)在吸收層和倍增層的分配,吸收層上下兩側(cè)各生�(zhǎng)100 nm非故意摻雜的InAlGaAs波導(dǎo)層。這種�(jié)�(gòu)的器件可以實(shí)�(xiàn)320 GHz的增�-帶寬積和極低的噪聲特性(k=0.15�,充分表現(xiàn)了其在高速率和長(zhǎng)距離光通信�(lǐng)域的潛在�(yīng)��

  WG-APD的主要問題是薄的吸收層厚度減少了光耦合效率,而且,由于切片工藝和在�(jìn)光面抗反膜的影響,使這種�(jié)�(gòu)的器件可能性變�。這些問題可以通過�(jié)�(gòu)改�(jìn)而逐步解決�

�(jié)�(gòu)和能�

  在波�(zhǎng)�1.55 gm的長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)�,由于鍺光電探測(cè)器遇到暗電流較大等問�,人們便�(zhuǎn)向使用InP基材料。在InP襯底上生�(zhǎng)InGaAsP,通過�(diào)整化合物組分含量使它能在1.2�1.6 gm波長(zhǎng)范圍�(nèi)工作。圖1所示是最早出�(xiàn)的InGaAsP/InP雪崩光電探測(cè)器結(jié)�(gòu)和能帶示意圖LZII。在p� -InP上生�(zhǎng)n-InGaAsP,再通過襯底注入鋅形成InGaAsP的pn�(jié),覆蓋一層n-InP。這種襯底和表面層都是寬禁帶低阻層�(jié)�(gòu)減小了串�(lián)電阻,阻止了光生載流子向表面�(kuò)散引起的�(fù)合�

雪崩光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)和能帶

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