2μm波段Ge-on-SOI光电探测器的TPA探测

【目的】随着光通信技术的快速发展,工作在传统通信窗口的光通信系统未来可能会面临通信“波段紧缩”的状况。而在2μm波段,空芯光子带隙光纤的损耗可以低至0.2 dB/km,掺铥光纤放大器(型号为CTFA)在2μm波段的增益峰值可达30 dB,这些高性能器件的出现使得2μm波段有缓解通信“波段紧缩”的潜力,同时也对制作难度小且利于大规模生产的2μm波段硅基光电探测器提出了需求。硅基光电探测器的工作波段扩展主要方案有采用具有可调谐带隙的Ⅲ-Ⅴ族材料、引入低带隙宽度材料作为吸收区和利用吸收区材料在2μm波段新的光吸收机制等。而Ge具有非常高的双光子吸收(TPA)系数(1225 GW/cm@2μm),并且Ge-on-绝缘体上硅(SOI)光电探测器结构兼容标准硅光器件制作工艺,具有制作难度较低和成本较低的优势,是2μm光电探测器的一种较优方案。文章的研究目的是验证Ge-on-SOI光电探测器利用TPA这一特殊光吸收机制实现2μm波段光电探测的可行性。【方法】文章基于Ge材料在2μm波段较高的TPA效应产生电流的物理机制实现了2μm波段的光电探测。理论上,对Ge材料通过TPA效应产生的光生电流大小进行了分析与讨论;在实验上,基于片上硅基器件有源测试系统对商用波导型Ge-on-SOI光电探测器的光输入端(光栅耦合器)施加经过掺铥光纤放大器放大后的高功率2μm波段输入光,并调整光纤与光栅的对准以及输入光偏振态以尽可能减少输入光传输到Ge吸收层的损耗,最终通过探针获取探测器的TPA光生电流。【结果】在功率为21.9 dBm的2μm光信号输入下,该商用波导型Ge-on-SOI光电探测器在2μm波段产生了高至651 nA的TPA净光生电流,并近似获得了>10 mA/W的响应度。【结论】文章验证了通过Ge材料TPA效应实现2μm波段光电探测器的科学可行性,为基于TPA的2μm波段Ge-on-SOI光电探测器的设计提供了实验支撑。

高性能波导集成型锗pin光电探测器的制备

采用CMOS兼容工艺,在绝缘体上硅（SOI）晶圆片上制备了高性能波导集成型锗pin光电探测器。该光电探测器锗区长度为15μm,宽度分别为1,2,3,4和5μm。光波导与探测器间的光耦合为倏逝波耦合。为了进一步提高探测器的性能,在结构设计上采用了聚焦耦合光栅及楔形耦合增强结构,在材料生长方面采用了选择性外延生长法,以提高锗的质量。通过暗电流、响应度、带宽及眼图测试对光电探测器性能进行了表征。测试结果表明在-2 V的反向偏压下,尺寸为15μm×4μm的光电探测器暗电流低至169 nA,其在波长1 530 nm处的最高响应度为0.43 A/W,3 dB带宽高达48 GHz并获得40 Gbit/s的清晰眼图。

透明栅控SOI薄膜横向PIN光电探测器的光电特性

透明栅控SOI薄膜横向PIN光电探测器,是一种以SOI技术和互补金属氯化物半导体工艺为基础,综合SOI器件和传统双极、场效应光敏器件的新型光电探测器。利用半导体器件物理和基本方程,介绍和分析了器件结构及其工作原理,建立电压、电流物理模型。应用SILVACO器件仿真软件,完成器件的数值模拟与验证。在中短波长工作段,器件光电流随栅极电压的增大而增大,表现出明显的栅压控制特性。全耗尽状态下,器件的内部量子效率在中短波长(400nm,450nm,530nm,600nm)的光辐射下,可达到96%以上,甚至接近100%。短波长下(280nm,350nm),量子效率最大值近80%。此外,器件的暗电流很低,光暗电流之比超过106,具有高灵敏度。

SOI基高响应度TFET探测器的设计与仿真

提出一种SOI基的新型隧穿场效应晶体管(TFET)探测器结构,将光电二极管与TFET结合,实现光信号的探测放大.光电二极管的正极与TFET的栅极互连,感光后光电二极管的光生电势调控TFET的沟道势垒,控制TFET的输出电流,实现光信号到电流信号的转化.陡峭的亚阈值摆幅能有效放大输出电流,提高TFET探测器的响应度.应用SILVACO完成探测器结构和性能的模拟仿真.光电二极管的光生电势通过较薄的BOX区形成了TFET的底部栅压,增强了对沟道势垒的控制能力,增大了输出电流,结果表明,探测器对弱光具有较高的响应度,当入射光强小于10 mW/cm^2时,响应度可超过10^4 A/W.此外,通过调整光电二极管的反偏电压、在源区与沟道间插入n^+口袋等方法可显著提高探测器的输出电流和响应度.