InGaAs/Si雪崩光电二极管

采用Si/InP低温晶片键合技术,设计并制作了InGaAs/Si雪崩光电二极管。器件利用InGaAs做吸收层,Si做增益层,光敏面大小50μm×70μm;测试结果表明器件有正常的光响应特性,击穿电压为41V,暗电流为99nA,此时光电流比暗电流高3个数量级。

InGaAs/Si键合界面a-Si键合层厚度对InGaAs/Si雪崩光电二极管性能的影响

为从根本上阻断InGaAs/Si之间的失配晶格,获得低噪声的InGaAs/Si雪崩光电二极管,理论上在InGaAs/Si键合界面插入超薄a-Si键合层,彻底隔断键合界面异质晶格,同时保证InGaAs吸收层和Si倍增层超高的晶体质量和良好的电学传输。模拟了a-Si键合层厚度对InGaAs/Si雪崩光电二极管性能影响。由于a-Si的载流子阻挡作用,器件在室温下获得了超低暗电流,且在偏压大于击穿电压后,光暗电流出现电流间隙,这将为超低噪声InGaAs/Si雪崩光电二极管的研制指明方向。

不同Ge组分a-Si_(1-x)Ge_(x)键合层对InGaAs/Si雪崩光电二极管性能的影响

采用非晶半导体中间层键合(SIB)实现键合界面失配晶格的阻断是实现高质量Si基InGaAs薄膜制备的最佳选择。本文在InGaAs/Si键合界面插入一层非晶锗硅(a-Si_(1-x)Ge_(x))键合层,模拟了不同Ge组分对InGaAs/Si APD复合率、能带、隧穿、电荷堆积等参数的影响。器件在室温下获得极低的暗电流(~10^(-10) A@95%雪崩电压),增益和增益带宽积分别高达30 GHz和60 GHz。本文将为低噪声近红外APD的研制提供理论指导。

不同晶态Ge薄膜键合层对InGaAs/Si雪崩光电二极管性能的影响研究

由于InGaAs与Si之间存在7.7%的晶格失配,因此难以获得制备方式简单、性能良好的InGaAs/Si雪崩光电二极管(APD)。从理论上提出了一种从源头弱化InGaAs/Si晶格失配对APD性能影响的办法,即在InGaAs/Si键合界面引入一层a-Ge或poly-Ge键合层,模拟比较了InGaAs/Si APD性能随键合层厚度的变化情况。研究指出,a-Ge和poly-Ge材料作为键合层对载流子有阻挡或俘获作用,因此器件能够获得超低暗电流,且由于键合层导带势垒对载流子的阻挡作用,APD雪崩之后出现了光暗电流间隙,可以在较小暗电流情况下获得大的光电流。当a-Ge厚度为0.5 nm时,APD雪崩击穿前增益可达最大值451.3,而当poly-Ge厚度为0.5 nm时,雪崩击穿前增益仅为7.9。这种差异是由于poly-Ge键合层处价带出现了势阱,载流子浓度下降。该工作为超低噪声和高增益InGaAs/Si APD的研制提供了理论指导。

倍增区凹槽环深度对键合无电荷层InGaAs/Si APD性能的影响

InGaAs/Si雪崩光电二极管(APD)因其灵敏度高、信噪比高、响应速度快等优点在微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等领域具有广泛的应用前景。然而,InGaAs和Si之间存在7.7%失配晶格和极大的导带带阶,外延InGaAs/Si异质结界面穿透位错密度极高,导致器件暗电流偏大、雪崩特性较差。为研制高性能InGaAs/Si APD,在InGaAs/Si键合界面处引入8层InGaAs渐变层缓冲InGaAs/Si键合界面带阶,以减少载流子在异质结界面处的积累,并创新地在Si倍增层加入空气凹槽环替代电荷层调节电场,研究键合界面不同凹槽环深度对无电荷层InGaAs/Si APD性能的影响。研究结果表明,当凹槽环深度为150 nm和300 nm时,InGaAs/Si APD的电流、复合率、碰撞电离率、电场、增益带宽积等性能较为理想,该结果可为后续研发工艺简单、性能稳定、噪声低的InGaAs/Si APD提供理论指导。