载流子吸收对SOI Mach-Zehnder干涉型电光调制器性能的影响

分析了载流子吸收对 SOI材料制作的 Y分支型 Mach- Zehnder干涉型电光调制器 /开关性能的影响 。

硅中载流子浓度的红外自由载流子吸收测定法

硅材料和硅器件的许多性质和性能都与载流子浓度有直接依赖关系。测定硅中载流子浓度已发展有许多方法,如四探针法、霍耳系数法,C-V法、光致荧光法、杂质吸收法等等。1958年吴仲墀等人利用室温下10.6μm处自由载流子的吸收系数α测定硅中载流子浓度,作者则采用在500～3500cm-1红外波段内测量的吸收系数α,得到了载流子浓度N。

双波长自由载流子吸收技术测量半导体载流子体寿命和表面复合速率

提出了采用双波长自由载流子吸收技术同时测量半导体材料载流子体寿命和前表面复合速率的方法.通过数值模拟,定性分析了不同载流子体寿命和前表面复合速率对信号的影响,同时对测量参数的可接受范围和不确定度进行计算并与传统频率扫描自由载流子吸收方法测量结果进行比较.结果表明:提出的双波长自由载流子吸收方法可明显减小载流子体寿命和前表面复合速率的测量不确定度,提高参数测量精度;表面杂质和缺陷越多的样品,其前表面复合速率测量不确定度越小.进一步分析表明,此现象与不同波长激光抽运产生的过剩载流子浓度分布不同有关.

调制自由载流子吸收测量半导体载流子输运参数的三维理论

推导出用于测量半导体载流子输运特性(载流子寿命、载流子扩散系数和前表面复合速度)的调制自由载流子吸收(modulatedfree carrier absorption,MFCA)检测技术的三维理论模型,给出了调制自由载流子吸收检测信号与调制频率和抽运-探测光相对距离的关系.定性分析了在不同调制频率时各个载流子输运参数对径向位置扫描曲线(信号与两束光相对距离的关系)的影响,结果表明调制自由载流子吸收检测信号对各个参数的灵敏度随抽运-探测光相对距离的增加而增加.仿真和实验结果表明,通过拟合不同调制频率时调制自由载流子吸收信号的径向位置扫描曲线能精确确定半导体材料的载流子输运特性.

方波调制下自由载流子吸收测量半导体载流子输运参数的时域模型

本文建立了用于测量半导体载流子输运特性(载流子寿命、载流子扩散系数和前表面复合速度)的方波调制下自由载流子吸收(free carrier absorption,FCA)检测技术的时域理论模型.通过数值模拟,分析了在不同调制频率下时域曲线的变化趋势以及各个载流子输运参数对时域曲线的影响.结果表明方波调制下的自由载流子吸收的时域信号对各个参数都用较高的灵敏度,且参数值的测量范围大于频域测量范围.

半导体特性的调制自由载流子吸收变距频率扫描方法研究

根据调制自由载流子吸收(modulatedfree carrier absorption,MFCA)检测技术的三维理论模型,采用变间距频率扫描方式测量单晶硅样品的电子输运参数,进行了仿真与实验,对结果进行了分析;通过多参数拟合,获取了测试样品的载流子扩散系数、少数载流子寿命和前表面复合速度.仿真与实验都表明,变间距频率扫描结合多参数拟合,可以提高输运参数的测量精度.

光子重吸收对硅片的光载流子辐射特性影响的理论研究

光载流子辐射技术已广泛应用于半导体材料性能的表征,本文基于一种包含光子重吸收效应的光载流子辐射理论模型,对单晶硅中光子重吸收效应对光载流子辐射信号的影响进行了详细的理论分析.分析结果表明,光子重吸收效应对光载流子辐射信号的影响主要取决于样品掺杂浓度、过剩载流子浓度和过剩载流子的分布.由于过剩载流子浓度及其分布与材料电子输运特性密切相关,电子输运参数的变化将导致光子重吸收效应的影响随之变化.进一步分析了光子重吸收效应对具有不同电子输运特性的样品的电子输运参数的影响,并提出了减小光子重吸收效应影响的方法.

结构缺陷对HgI_2晶体光吸收的影响

为研究HgI2晶体结构缺陷与光吸收的关系,测试了晶体的UV和中红外透过光谱。结果表明,波长约为580nm时,存在着本征吸收限;波长大于580nm时,随波长增加,晶体对光的吸收减小,透过率达到45%以上;在1000～2500nm范围内,UV光谱存在四个明显的光吸收带,对应的入射光能量分别为0.79±0.01eV,0.72eV,0.57±0.01eV和0.53eV。中红外透过曲线随波长增加而增大,透过率为39%～68%。通过M/HgI2的I～t曲线,采用简单能级模型进一步确认了生长的HgI2晶体存在0.79±0.01eV和0.72eV两个陷阱能级。分析认为,HgI2晶体层间的相对移动形成的结构缺陷造成1572.5nm(0.79±0.01eV)和1729.2nm(0.72eV)处的吸收,晶体缺碘造成2117.5nm(0.57±0.01eV)处的吸收和汞空位造成2305.8nm(0.53eV)的吸收。在中红外波段,晶体结构缺陷造成了显著的晶格吸收。严格控制原料的化学计量比有利于减少HgI2晶体的结构缺陷,提高晶体的光学性能。

SiGe/Si多量子阱中的光致子带间吸收研究

本文论述了硅锗量子阱中的光致子带间吸收的机理 ,并在实验中探测 Si Ge/Si量子阱价带间的红外光致吸收 .载流子由氩离子激光器作为光泵浦源产生 ,所导致的红外吸收由一个步进式傅里叶变换光谱仪来探测 .在硅锗量子阱中的光致吸收有两个来源 :类似单一掺杂的 Si Ge薄层的体吸收的自由载流子吸收 ,及量子阱价带的子带间吸收 .实验探测了 TE和TM偏振方向的吸收 .TM偏振方向的吸收是由偏离布里渊带中心的载流子的跃迁所造成的 .

用于喇曼放大的SOI脊形波导中自由载流子寿命的解析表达

研究了用于喇曼放大的绝缘硅(SOI)脊形波导中自由载流子寿命与非线性光学损耗的关系.通过理论推导结合二维数值模拟的方法,提出了带有零反偏pin结构的SOI脊形波导中自由载流子寿命的解析表达式,该解析表达式与他人的实验结果相符.结果表明,比起不带pin结构的波导,带有零反偏pin结构的波导中的自由载流子寿命最多可以缩短80%.同时,研究了pin结构外加反偏电压时,自由载流子寿命进一步缩短的原因,并从强场下自由载流子速度饱和的角度出发,得到了自由载流子寿命的理论极限值.最后,模拟了不同自由载流子寿命情况下SOI脊形波导的喇曼净增益随着输入泵浦光功率密度的变化曲线,为硅基喇曼放大器的进一步研究指明了方向.

双光子激发ZnSe自由载流子超快动力学研究

采用Z扫描和抽运一探测实验技术,在波长为532 nm、脉冲宽度为41 fs的条件下测得ZnSe晶体的双光子吸收系数,并获得了不同激发光强下的自由载流子吸收截面、电子一空穴带间复合时间和电子-声子耦合时间.研究发现,随着激发光强的增大,自由载流子吸收截面减小,复合时间变短.当激发光强增大导致载流子浓度大于10^(18)cm^(-3)时,抽运-探测信号出现明显改变,原因归结为强光场激发导致样品在短时间内带隙变窄和电子-空穴等离子体的形成.

GaN晶体在飞秒紫外波段激发下的可变非线性吸收效应和光动力学过程研究

采用Z扫描和泵浦-探测技术研究了GaN薄膜在370nm时的非线性光学效应和非线性光动力学过程。首先,基于GaN薄膜的透射光谱,结合线性光学理论分析得到了其在370nm的线性折射率n_0、线性吸收系数α_0、光学带隙E_g等线性光学性质。采用飞秒激光Z扫描技术,得到了不同光强激发下的Z扫描实验响应结果,结合非线性光学理论提取出GaN薄膜可变的光学非线性吸收效应。在激发光子能量接近GaN带隙情况下,低光强时材料表现为饱和吸收而高光强时为反饱和吸收,这是因为低光强下单光子吸收占主导而高光强下以单光子感应自由载流子吸收为主。闭孔Z扫描测量得到了GaN薄膜的三阶非线性折射系数为n_2=-(1.0±0.1)×10^(-3) cm^2·GW-1,它几乎比传统非线性介质的高出一个数量级。为了探究上述非线性过程的动力学弛豫时间以及进一步探究GaN薄膜非线性光动力学过程的深层物理机制,采用了交叉偏振飞秒退相泵浦探测技术观察GaN薄膜的光激发载流子动力学弛豫过程。实验结果表明,在低光强下,饱和吸收效应来源于瞬态单光子吸收,高光强下单光子感应自由载流子吸收为非瞬态光动力学过程,其自由载流子弛豫时间约为17ps。该工作将为GaN薄膜在紫外非线性纳米器件应用以及GaN薄膜非线性过程的机制分析理解提供新的思路。

载流子寿命对Si基光电子器件性能的影响

研究了载流子寿命对SOI有源光波导器件工作性能的限制及影响,分析了制约载流子寿命减小的若干因素,综述了采用合理设计减小波导截面尺寸参数、脊区内植入He离子、加入pin结构施加反向偏压等几种有效减少载流子寿命的方法,并给出了它们各自的理论基础和文献报道的理论模拟与实验结果。经过对各种方法的利弊进行分析比较,作者认为在提高光电子器件性能的研究中,采用减小波导截面尺寸参数的方法要同时兼顾传输损耗的变化;采用离子植入法可以在不改变波导尺寸的情况下减小载流子的寿命,但引入了附加损耗且与CMOS工艺不相兼容;而外加pin结构的方法不适用于已经存在电学结构的器件。

Characteristic analysis of 1.06μm long-cavity diode lasers based on asymmetric waveguide structures

In long-cavity edge-emitting diode lasers,longitudinal spatial hole burning(LSHB),two-photon ab⁃sorption(TPA)and free carrier absorption(FCA)are among the key factors that affect the linear increase in out⁃put power at high injection currents.In this paper,a simplified numerical analysis model is proposed for 1.06μm long-cavity diode lasers by combining TPA and FCA losses with one-dimensional(1D)rate equations.The ef⁃fects of LSHB,TPA and FCA on the output characteristics are systematically analyzed,and it is proposed that ad⁃justing the front facet reflectivity and the position of the quantum well(QW)in the waveguide layer can improve the front facet output power.

硅基光参量放大器的增益和噪声特性研究

为了研究硅基光参量放大器(OPA)更好的增益和噪声特性,在研究硅基光参量放大器(OPA)中拉曼效应及其噪声理论的基础上,用数值仿真研究了硅基OPA中泵浦峰值功率、泵浦宽度、脉冲重复率、自由载流子寿命对其增益和NF特性产生的影响。结果表明,当泵浦功率大于2 W后,由于TPA与FCA的非线性损伤的存在使得增益逐渐降低,即在硅基OPA中高峰值泵浦功率并不意味着大的增益。短脉冲宽度更易获得净增益,低的脉冲重复率下NF更小。当泵浦脉冲重复率为10 GHz,泵浦脉冲宽度为2.5 ps时,自由载流子的寿命只要低于500 ps就可以获得净增益。

硅拉曼激光器的设计与典型应用

针对用光腔衰荡法测量气体浓度时存在严重非线性光学损耗,输出功率密度偏低,光源输出不平坦等问题,利用受激拉曼散射(SRS)非线性频移机制,设计了以Si元素作为拉曼主要增益介质的拉曼激光器。在硅波导结构中设置了p-i-n反向偏置电压,通过控制调节该电压值来降低由双光子吸收(TPA)引起的自由载流子吸收(FCA)以及由FCA引起的非线性光学损耗,从而提高拉曼激光器的输出功率。在实验分析处理过程中,将反向电压分别设置为开路、短路、5V以及25V4种状态,分析比较了不同电压值下激光器输出功率的变化规律。实验结果显示:粒子自由迁移时间从16ns降低到1ns,表明输出功率在同等标准下得以显著提高,进而改善了气体浓度测量的稳定性。

GaAs半导体激光器线宽展宽因子的理论计算

本文利用简单模型综合考虑了带间跃迁、自由载流子吸收和带隙收缩对半导体激光器线宽展宽因子的影响,给出了半导体激光器线宽展宽因子的一种较为简便的计算方法.首先从理论上推导出线宽展宽因子的计算公式,分析并计算了GaAs半导体激光器的增益特性,并使用MATLAB软件中的Mupad工具包求解费米积分的数值解.然后根据得到的增益拟合曲线峰值的变化计算了带间跃迁对线宽展宽因子的影响.最后,分别讨论和计算了自由载流子吸收和带隙收缩对线宽展宽因子的影响.结果表明,带间跃迁和带隙收缩对线宽展宽因子的影响较大(α因子值分别为22.562,-6.853),而自由载流子吸收对线宽展宽因子的影响较小(只有-0.605).

H/Al共掺杂对ZnO基透明导电薄膜光电性质和晶体结构的影响

利用H在ZnO中作为浅施主杂质的特性,研究了H掺杂对ZnO∶Al透明导电薄膜特性的影响。通过降低ZnO∶Al中Al的含量并同时引入H掺杂,解决了透明导电薄膜中高导电性与高透过率之间的矛盾。H的掺杂可以显著降低ZnO基透明导电薄膜的电阻率,这是由于H一方面作为施主可以提供电子从而提高了自由载流子浓度;另一方面与ZnO晶界中的O-结合降低了晶界势垒,提高了载流子迁移率。利用H掺杂,可以在Al掺杂量降低10倍的情况下,仍然能获得低电阻率(6.3×10-4Ω·cm)的透明导电薄膜,同时其近红外波段(1 200 nm)透光率从64%提高到90%。这种具有高导电性和高透光性的透明导电薄膜可以应用于各类薄膜太阳能电池中以提升器件效率。

CdZnTe晶片的性能测试

测试了多个Cd0 .9Zn0 .1Te晶片的性能 ,包括红外透过率、成分分布、位错密度、Te沉淀 /夹杂密度以及电阻率。研究表明 ,红外透过率与性能有着密切的联系 :红外透过率的大小及红外透过率图谱的形状可反映晶片的成分分布、位错密度以及电阻率的情况。从晶片对红外光的吸收机理出发 ,对这些联系进行了详细的分析。