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谐振腔增强的雪崩光探测器的研究

作　者: 张帅
导　师: 黄永清
学　校: 北京邮电大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: AlGaAs RCE-APD 增益带宽积频率响应过剩噪声因子苯并环丁烯紫外胶
分类号: TN36
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

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。随着高速、长距离光纤通信的不断发展,要求相应的光接收器件具有更高的灵敏度和更高的高速响应能力。通过引入谐振腔结构,将探测器吸收区置于谐振腔中,可以有效克服传统PIN型光电探测器量子效率和响应速率之间的制约关系。而结合APD本身具有的增益特性,将RCE结构引入APD器件,能有效提高探测器的性能。本文围绕这一思考,从雪崩光电探测器及谐振腔增强型光电探测器的基本原理出发,寻找出一种优化器件综合性能及制作工艺的新方法,论文的主要工作及成果如下：1.提出了一种在倍增区引入AlxGa1-xAs带隙梯度结构的谐振腔增强型雪崩光探测器结构。通过将Al0.4Ga0.6As-Al0.2Ga0.8As-GaAs带隙梯度结构置于雪崩探测器的高场区,并结合吸收区与倍增区分离的设计,可以在保证电子注入高场区的同时,有效抑制空穴的碰撞电离,从而实现对探测器过剩噪声和量子效率两个主要性能的优化。理论分析表明,当Al0.4Ga0.6As、Al0.2Ga0.8As及GaAs各层的厚度依次为28nm、10nm和50nm时,该结构探测器具有较小的噪声(κeff≈0.1),约33GHz的3dB带宽(增益G≈5),在增益G=15时可获得420GHz的增益带宽积。2.对苯并环丁烯树脂(BCB树脂)的特性进行分析和探讨。提出在谐振腔增强型光探测器的制作工艺中,将苯并环丁烯树脂应用于谐振腔与探测器(单腔结构)以及滤波腔与吸收腔(三镜两腔结构)的粘合中,有利于简化谐振腔增强型雪崩光电探测器的制作工艺,充分发挥各部分的特性优势。对BCB树脂的透光性、粘合强度等进行了测试,论证了将其应用于光电子集成器件制作的可行性。3.尝试将紫外胶应用于平顶陡边光探测器的制作中。使用特定型号的紫外胶,实现了对滤波腔与载玻片的粘合。通过对引入紫外胶前后探测器量子效率的测试与对比,论证了紫外胶在半导体探测器制作工艺中的可用性。4.参与完成了雪崩光电探测器的后工艺制作,在实验过程中熟悉了工艺流程,积累了宝贵经验。成功完成了PIN光电探测器的工艺制作,并制备出性能较好的器件。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-15
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  12-13
  1.3 论文的结构安排  13-15
第二章谐振腔增强型光探测器(RCE-PD)  15-25
  2.1 RCE光探测器的特性分析  15-19
    2.1.1 半导体光电效应  15-16
    2.1.2 RCE光探测器基本工作原理  16-19
  2.2 引入谐振腔对不同类型探测器性能的优化  19-22
    2.2.1 谐振腔增强型肖特基(Schottky)光探测器  19-20
    2.2.2 谐振腔增强型PIN光电探测器(RCE-PIN-PD)  20-21
    2.2.3 谐振腔增强型雪崩光电探测器(RCE-APD)  21-22
    2.2.4 谐振腔增强型金属-半导体-金属光探测器(RCE-MSM-PD)  22
  2.3 RCE光探测器存在的问题及发展方向  22-24
  2.4 本章小结  24-25
第三章低噪声、高频率响应雪崩光探测器  25-39
  3.1 雪崩光电探测器的特性参数  25-31
    3.1.1 APD的平均雪崩增益  25-27
    3.1.2 APD的过剩噪声  27-29
    3.1.3 暗电流  29-30
    3.1.4 光电转换效率  30-31
  3.2 引入带隙梯度结构的雪崩光电探测器  31-34
    3.2.1 引入带隙梯度结构的雪崩光电探测器特性分析  31-33
    3.2.2 引入带隙梯度结构的雪崩探测器的结构  33-34
  3.3 基于谐振腔的吸收区与倍增区相分离的雪崩光电探测器  34-38
    3.3.1 吸收区与倍增区相分离的谐振腔增强型雪崩光电探测器(RCE-SAM-APD)  34-36
    3.3.2 高速、高增益带宽积的RCE-SAM-APD  36-38
  3.4 本章小结  38-39
第四章引入带隙梯度结构的谐振腔增强型雪崩光电探测器的研究  39-55
  4.1 基于带隙梯度结构的RCE-SAM-APD结构的提出  39-43
    4.1.1 Al_xGa_(1-x)As带隙梯度结构的引入及优化  39-41
    4.1.2 倍增区引入带隙梯度结构的RCE-SAM-APD的结构  41-43
  4.2 倍增区引入带隙梯度结构的RCE-SAM-APD的噪声特性分析  43-46
  4.3 倍增区引入带隙梯度结构的RCE-SAM-APD频率响应特性分析  46-53
  4.4 本章小结  53-55
第五章谐振腔粘合工艺的实验研究  55-72
  5.1 苯并环丁烯(BCB)树脂的特性研究及应用可行性分析  55-64
    5.1.1 BCB树脂特性及其在半导体器件制作工艺中的应用  55-58
    5.1.2 BCB树脂透光性分析  58-60
    5.1.3 BCB树脂粘合强度测试  60
    5.1.4 BCB树脂应用于RCE-PD制作工艺中的设想  60-64
  5.2 紫外胶的特性研究及应用可行性分析  64-67
    5.2.1 紫外胶的基本特性  64
    5.2.2 紫外胶在平顶陡边光探测器中的应用  64-67
  5.3 光电探测器的后工艺制作  67-71
    5.3.1 InP基PIN光探测器后工艺制作流程  67-70
    5.3.2 InGaAs/InP APD后工艺制备与InP基PIN后工艺制备的比较  70-71
  5.4 本章小结  71-72
参考文献  72-76
致谢  76-77
攻读硕士学位期间发表的学术论文  77

谐振腔增强的雪崩光探测器的研究

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