单片集成硅光接收器中p-i-n硅光电探测器的进展

介绍了单片集成硅光接收器的研究背景、硅光电探测器工作机理以及它对实现高性能单片集成硅光接收器的影响，回顾总结了近年来的研究进展，并报道了我们的研究结果，展望了今后的发展。

用于海洋水色扫描仪的硅光电探测器组件

采用微型滤光片与硅探测器直接耦合的方式，研制了5×4元和3×4元两种多波段硅探测器组件。组件可探测412-865nm八个波段，带宽分别为20和40nm。由于采用了短波增强，提高近红外波段响应率和响应速度，降低暗电流，减小串音及提高可靠性等一系列措施，使研制的组件达到了很高的性能：412nm的响应率为0．14A／W，暗电流为5×10^-10A，结电容小于20pF，串音小于7％。满足了海洋水色扫描仪的使用要求。

硅光电探测器阵列

以获得高量子效率的pin硅光电探测器阵列为目标,对影响pin硅光电探测器阵列量子效率和暗电流的重要因素展开了分析,此外针对探测器入射面的抗反射层结构进行了理论分析与模拟的仿真研究。流片测试结果表明,实验样品LPD型硅光电探测器阵列的单像素暗电流为2-7 pA,低于滨松S11212型商用光电探测器;结电容为45-46 pF,光响应值为0.37-0.39 A/W（仅比S11212型器件低约0.25%）。LPD硅光电探测器阵列通过耦合碘化铯晶体并封装之后,放置在物品安检机上进行扫描成像,测试结果表明：LPD硅光电探测器阵列可以在X光机165 kV,0.8 m A时穿透40 mm厚的铅饼清晰成像。LPD硅光电探测器阵列的整体灵敏度和商用S11212型光电探测器性能相当,没有明显区别。

改进器件工艺降低硅光电探测器暗电流

为降低硅光电探测器ｐ－ｎ结反向暗电流，可在器件制作工艺中采用一系列完美晶体器件工艺ＰＣＤＴ。在实施过程中，作者对吸除工艺、应力补偿工艺等作了改进，进一步降低了反向暗电流。

用于光纤通信的硅光电探测器的研制

根据光纤入户(FTTH)的应用特点,选用外延层厚度和电阻率各不相同的三种硅外延片,研制了用于FTTH的P IN硅光电探测器,并与硅单晶材料的PN结光电二极管进行了全程比对。测量结果表明,P IN探测器的暗电流可达1-0 11A量级,响应时间为2 ns。分析了Ⅰ层厚度和电阻率对探测器件暗电流、结电容和响应时间的影响及引起特性差别的原因,为设计能满足光纤通信要求的光电探测器提供了依据。

宽波段响应硅雪崩光电探测器研究

本文基于目前对宽波段探测器的应用需求,设计了一种在250~1100 nm范围有较高响应的硅雪崩光电探测器(Si APD),不需要拼接即可实现紫外-可见-近红外波段光的高效探测。分别对硅的紫外增强和(近)红外增强进行了分析,在此基础上,为获得宽波段响应Si APD,对器件结构进行模拟设计,采用光背入射等方式,提高短波吸收,同时保证近红外吸收。模拟优化的Si APD器件峰值波长940 nm左右,在250 nm和1100 nm处响应光电流均超过峰值的15%,这种结构的器件适用于多光谱及未来高精度探测等应用领域。

硅基光电探测器空间辐射效应研究进展

硅基光电子技术结合了高集成度的大规模集成电路制造技术与光电子芯片的大带宽、高速率等优势,推动硅基光电器件在高能物理实验、医学影像和高能粒子碰撞器等领域的广泛应用。然而,应用于空间环境和医疗探测器的光电探测器在运行周期中预计会受到~10^(12)particles/cm^(2)的累积注量,而应用于大型粒子对撞机的新型探测器则要经受~10^(14)particles/cm^(2)的辐射注量。本文详细阐述了硅基光电探测器的空间辐射效应研究现状,主要包括不同粒子辐照后硅基光电二极管、雪崩光电二极管、单光子探测器以及光电倍增管等主流光电探测器的辐射效应研究进展。研究结果表明,探测器抗电离总剂量性能较好,位移损伤是导致其关键性能参数退化的主要原因,由于工作原理差异,各类器件在辐射环境中表现出不同退化行为和作用机理。

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。

硅光电探测器光谱量子效率的测定

光电探测器量子效率的准确测定对光辐射计量具有重要意义。基于低温辐射计,在氦氖、氩氪离子以及钛蓝宝石激光器的10个波长上测量了无窗型硅光电探测器的外量子效率。根据光电探测器表面反射比和二氧化硅层厚度的关系,基于在3个激光波长上光电探测器表面反射比的测量结果,通过最小二乘法得到光电探测器表面二氧化硅层的厚度,并由此得到光电探测器表面的光谱反射比。根据表面反射比和激光波长上探测器外量子效率结果得到相应波长的内量子效率。进行了光谱量子效率拟合。在488～900nm光谱范围内量子效率模型拟合结果与在相应激光波长上测定的量子效率结果的偏差在1.5×10-4之内。

硅光电倍增探测器温度特性分析与实验

SiPM(Silicon Photo-multiplier,硅光电倍增探测器)是近年来逐渐兴起的一种用于光探测领域的光电探测器件。与传统的PMT(Photo-multiplier tube,光电倍增管)相比,它有着尺寸小、工作电压低、几乎不受磁场影响等优点,但其缺点是对环境温度变化较敏感。为了掌握SiPM性能指标随环境温度的变化规律,搭建了SiPM温度特性实验系统,通过改变环境温度来实时测量记录SiPM的雪崩临界电压和增益,从而定量得出SiPM的温度特性,并通过理论计算对实验数据进行分析。结果表明,当环境温度降低时,SiPM的雪崩临界电压随之线性下降,增益随之线性增大。

硅雪崩光电探测器工作寿命试验及失效分析研究

通过FMEA分析和加速寿命试验,确定了硅雪崩光电探测器的主要失效模式有两种,一种是暗电流超标,另一种是前放输出电压不合格;对这两种失效模式进行了失效分析,认为是高温应力引起器件内部气氛的变化,主要是氢气含量变大引起器件暗电流不合格;大电流引起前置放大电路上晶体管损伤是前放输出电压不合格的原因。

基于黑硅微结构的全硅PIN光电探测器

本文报道了一种基于黑硅微结构的全硅PIN光电探测器。该器件结合了黑硅结构宽光谱高吸收的特性,以及PIN光电探测器高量子效率高响应速度的特点,通过在传统硅PIN光电探测器结构的基础上增加黑硅微结构层,在不影响响应速度的条件下,提高了探测器在近红外波段响应特性。并且针对纵向结构垂直入射PIN光电探测器时量子效率与响应速度相矛盾的问题,提出了解决方案。测试结果表明,该器件的量子效率可达80%,峰值波长为940 nm,光响应度达到0.55 A/W,暗电流降至700 pA,响应时间为200 ns。

与CMOS兼容的硅基波导型光电探测器的研究

硅基波导型光电探测器作为一类重要的光电探测器,由于其能与标准的CMOS工艺兼容以及制备工艺简单等性能,因而在光电子单片集成方面具备广阔的市场应用前景。文章着重阐述了通过离子注入引入深能级、Ge/Si自组装岛、SOI波导共振腔增强和AlGaInAs-Si混合集成等四种方式来制备硅基光电探测器的研究现状和研究进展,并对四类器件的结构,制作工艺和光电性能指标进行了详细地介绍。

光通信用的硅基长波长光电探测器

硅基长波长光电探测器是最有希望与微电子集成的一种用于光通信的光电器件。介绍了当前硅基长波长光电探测器的发展现状和趋势，讨论了提高硅基长波长光电探测器性能的途径。

四象限光电探测器用于二维小角度测量的研究

介绍了利用高灵敏度四象限硅光电管作为探测器的二维小角度测量系统,详细分析了其测试原理及实验装置。测试系统利用半导体激光器做光源,采用了偏振分光器件,结构小巧,能量利用率高,具有较高的测量精度。为小角度测试技术的研究提出了一种新的方法。

片间光电融合技术分析

本文概述了片间光电融合技术发展现状及趋势。在5G、人工智能等应用场景驱动下,片间光互联成为实现芯片之间信息交互的重要方式之一。其中,硅基光电子技术和光电共封装技术发挥了重要作用。本文回顾了光电共封装技术以及激光器、硅基光电探测器和硅基电光调制器发展现状和面临挑战,并结合硅基光电子产业情况提出相关建议,以期为推动我国集成电路产业向高质量发展提供参考和借鉴。

MS/RF CMOS工艺兼容的光电探测器

为实现光纤通信系统中的单片光电集成,采用工业标准工艺设计了硅基光电探测器,讨论了光电探测器的机理,提出了五种新的探测器结构,并采用TSMC0.18μmMS/RFCMOS工艺进行了流片.利用半导体测试仪对芯片进行了测试,包括探测器的暗电流、响应度和结电容,并分析了深n阱、浅沟槽隔离等工艺步骤对探测器参数的影响.结果表明,利用标准MS/RFCMOS工艺实现的光电探测器具有良好的特性.

基于光电二极管探测器的闪电光辐射信号观测

利用硅光电二极管探测器,对2008年夏季广东省从化地区和北京昌平地区的自然闪电光辐射信号进行了观测研究,并对获得的312个观测数据进行了统计。得到如下结果:光辐射脉冲峰值为[10.97(5.55)±12.46]mW/cm2,10%～90%光脉冲前沿为[1.14(0.44)±2.02]ms,50%～50%光脉冲宽为[1.44(0.49)±2.07]ms,一次闪电包含的光脉冲数为[3.78(3.00)±2.30]个;将统计结果与FORTE卫星上的硅光电二极管载荷的探测结果进行了对比,光脉冲峰值要大1～2个量级,脉冲宽度要小,符合对闪电光辐射信号传播的物理过程分析。

硅光电二极管陷阱辐射定标研究

介绍ＣｒｙｏＲａｄｌ低温绝对辐射计（ＨＡＣＲ）。

光电探测技术及器件

TN23 97031951用于火焰探测的紫外光敏管=Uvtron used in detectionof flame[刊,中]/陈章其(东南大学电子工程系.江苏,南京(210096))//传感器技术学报.—1996,9(1).-55-59介绍了用于火焰探测紫外光敏管的结构、工作原理和主要技术参数,讨论了紫外光敏管材料及管内工作气氛的选择原则,并对影响紫外光敏管性能参数的因素作了讨论。图4表2参6(方舟)