隨著信息化的不斷發(fā)展,人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信量的要求不斷提高,基于光通信技術(shù)的海量數(shù)據(jù)的長(zhǎng)距離快速傳輸成為信息領(lǐng)域中一個(gè)久盛不衰的重要研究方向。在光通信系統(tǒng)中,光探測(cè)器作為將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的接收終端,在信息傳輸方面起著至關(guān)重要的作用。高速大容量光通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展,要求光探測(cè)器同時(shí)具備低暗電流、高速響應(yīng)、大功率輸出、寬光譜探測(cè)等優(yōu)良特性。本論文以抑制光探測(cè)器暗電流、實(shí)現(xiàn)光通信波段的寬譜探測(cè)、提高光探測(cè)器高速及大功率響應(yīng)特性為目標(biāo),從光探測(cè)器的暗電流機(jī)制和電容等基本特性出發(fā),圍繞光探測(cè)器的寬光譜和陣列化探測(cè)技術(shù)以及器件混合集成技術(shù)開展研究。本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)以及研究成果如下:1.為了抑制PIN光探測(cè)器的暗電流,提出一個(gè)完整的計(jì)算暗電流的模型和抑制暗電流的方案。該模型考慮了光探測(cè)器中的缺陷能級(jí)引起的缺陷輔助隧穿電流,并且指出在低偏下Shockley-Read-Hall(SRH)產(chǎn)生-復(fù)合和缺陷輔助隧穿是產(chǎn)生暗電流的兩個(gè)主要機(jī)制。在5V偏壓下,當(dāng)吸收層摻雜濃度為1×1015cm-3、厚度低于lμm時(shí),以及當(dāng)吸收層厚度為2μm、摻雜濃度大于7×1015cmm-3時(shí),缺陷輔助隧穿是暗電流的主要機(jī)制。用該模型仿真計(jì)算得到的總暗電流與測(cè)試得到的暗電流吻合較好�；谠撃Ｐ偷玫降陌惦娏饕种品桨溉缦�:(1)減小吸收區(qū)厚度可以抑制暗電流。當(dāng)吸收層摻雜濃度為1×1015cm-3,吸收區(qū)厚度小于1.2μm時(shí),暗電流小于2nA。但是減小吸收區(qū)厚度會(huì)影響光探測(cè)器的響應(yīng)度,因此應(yīng)該在滿足響應(yīng)度的要求下盡量減小吸收區(qū)的厚度去抑制PIN光探測(cè)器的暗電流。(2)增加吸收區(qū)摻雜濃度,可以抑制暗電流。當(dāng)吸收層厚度為2μm,摻雜濃度超過1×1016cm-3時(shí),增加摻雜濃度對(duì)暗電流的抑制作用減弱,并且會(huì)影響PIN光探測(cè)器的其他性能。因此為了最有效地抑制暗電流,吸收區(qū)摻雜濃度應(yīng)該在1×1016cm-3左右。(3)降低溫度可以抑制暗電流。因?yàn)榻禍乜梢燥@著減小SRH產(chǎn)生-復(fù)合電流。2.提出一個(gè)完整的單行載流子光探測(cè)器的暗電流模型和一個(gè)抑制暗電流的方案。重點(diǎn)考慮了缺陷對(duì)暗電流的影響,發(fā)現(xiàn)器件中的暗電流主要在靠近收集區(qū)處的InGaAs層產(chǎn)生。利用該模型計(jì)算得到的總暗電流與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的暗電流大小較為吻合�；谠撃Ｐ偷玫降陌惦娏饕种品桨溉缦�:(1)降低收集區(qū)的摻雜濃度可以抑制暗電流。但是摻雜濃度降到1×1015cm-3以下時(shí),暗電流抑制效果不再明顯,同時(shí),如果繼續(xù)降低摻雜濃度對(duì)材料生長(zhǎng)是一個(gè)挑戰(zhàn)。因此,為了得到較小的暗電流,最佳收集區(qū)摻雜濃度為1×1015cm-3。(2)增加收集區(qū)的厚度有利于減小暗電流,但是在低壓下抑制效果不明顯。當(dāng)反向偏壓超過1.5V時(shí),增加收集區(qū)的厚度可明顯抑制暗電流。3.提出并制備了一種低暗電流、高響應(yīng)度的InP基寬光譜光探測(cè)器。通過在頂部引入P+型InAlAs層,減少了器件在850nm波長(zhǎng)下的吸收損耗。通過引入InGaAsP本征層,增加了器件在850nm波長(zhǎng)下的吸收,平滑了能帶結(jié)構(gòu),減小了器件的電容。響應(yīng)度在850nm、1310nm和 1550nm波長(zhǎng)下分別達(dá)到0.43A/W、0.47 A/W和0.4 A/W。當(dāng)反向偏壓在0～1V時(shí),器件的暗電流低于1nA。1550nm波長(zhǎng)下的3-dB帶寬達(dá)到17.2GHz。4.研究了上述InP基寬譜光探測(cè)器的電容-電壓曲線的頻率依賴特性。當(dāng)交流信號(hào)測(cè)試頻率為50kHz和100kHz時(shí),觀察到負(fù)微分電容效應(yīng),該效應(yīng)在頻率超過200kHz時(shí)消失。根據(jù)前人有關(guān)負(fù)微分電容成因的分析結(jié)論,推斷出器件中來自深能級(jí)中心的熱離子發(fā)射率小于200kHz。5.提出一個(gè)微分電容模型,利用該模型分析了電容對(duì)光功率的依賴特性:在0～130mW的光功率范圍內(nèi)緩慢增加;在130～140mw的光功率范圍內(nèi)快速增加;在140mw以上的光功率范圍內(nèi)快速下降。為了實(shí)現(xiàn)較好的高速響應(yīng)特性,給出了光探測(cè)器工作的光功率上限:即130mW。電容最大值處的光功率和直流飽和點(diǎn)處的光功率接近,直流飽和之后,電容急劇減小。隨著收集層厚度的增加,電容最大值減小,同時(shí),電容最大值處的光功率也變小。6.提出并制備了一種與亞波長(zhǎng)光柵功分器混合集成的三管芯、四管芯對(duì)稱連接的單行載流子光探測(cè)器陣列。設(shè)計(jì)并制備了用于該陣列的功分器。實(shí)驗(yàn)完成了上述兩者的混合集成。三管芯混合集成陣列在15GHz處的最大射頻輸出功率為11.5dBm,相應(yīng)的光電流為70mA;四管芯混合集成陣列在15GHz處的最大射頻輸出功率為13.1dBm,相應(yīng)的光電流為91mA。該混合集成結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了大功率信號(hào)光在多個(gè)光探測(cè)器管芯中的分別接收,提高了器件的大功率性能,解決了光信號(hào)相位失配問題,降低了器件的復(fù)雜度。
【學(xué)位單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN929.1
【部分圖文】：

?Ｖ．Ｂ．??圖２－２?ＵＴＣ－ＰＤ工作原理示意圖??單行載流子光探測(cè)器主要是基于ＰＩＮ探測(cè)器結(jié)構(gòu)改進(jìn)而來的，其中有一個(gè)Ｐ??型光吸收層和低摻雜的收集區(qū)，工作原理如圖２－２所示，在單行載流子光探測(cè)器??中，吸收層吸收入射光產(chǎn)生光生載流子。因?yàn)槲諈^(qū)為Ｐ型重?fù)诫s區(qū)，所以空穴??８??

Ｖ?８??ｎ－ｃｏｎｔａｃｔ?ｌａｙｅｒ??圖２－１?ＰＩＮ光探測(cè)器工作原理示意圖??為了實(shí)現(xiàn)高速性能，勢(shì)必要減小吸收層的厚度，但這會(huì)降低器件的響應(yīng)度，??因此在ＰＩＮ光探測(cè)器中，高速性能與響應(yīng)度之間存在著天然的矛盾。并且當(dāng)入射??光強(qiáng)度增大時(shí)，光探測(cè)器中會(huì)產(chǎn)生大量的載流子堆積，載流子堆積形成的空間電??荷效應(yīng)會(huì)限制器件的輸出電流和功率，導(dǎo)致器件過早飽和。??２．２．２單行載流子光探測(cè)器??空間電荷效應(yīng)是由載流子堆積形成的，該效應(yīng)會(huì)影響光探測(cè)器的高速性能。??在光探測(cè)器中，電子的遷移率是空穴的數(shù)倍。如果我們能夠只利用具有較快輸運(yùn)??速度的電子，那么光探測(cè)器的飽和電流和帶寬特性將會(huì)獲得提高。單行載流子光??探測(cè)器（Ｕｎｉ－Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ?Ｃａｒｒｉｅｒ?Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ

北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文和與交流飽和性能??的飽和性能分為直流飽和與交流飽和，表征的是光探測(cè)器在性工作能力。光電流隨著入射光功率的增大而增大，當(dāng)輸出做直流飽和，如圖２－３所示。交流飽和電流的定義是在調(diào)制光，光探測(cè)器的ＲＦ輸出功率與其平均光電流之間的關(guān)系偏離線均光電流，而飽和ＲＦ輸出功率則是這時(shí)對(duì)應(yīng)的ＲＦ輸出功率，▲??
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