gesi波导型雪崩光电二极管研究

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1、分类号TN312.7密级公开UDC621.38学位论文编号D-10617-308-(2016)-04026重庆邮电大学硕士学位论文中文题目Ge/Si波导型雪崩光电二极管研究英文题目StudyonGe/SiWaveguidedAvalanchePhotodiodes学号S130401026姓名王婷学位类别工学硕士学科专业电子科学与技术指导教师王振副教授完成日期2016年4月11日重庆邮电大学硕士学位论文摘要摘要随着外延技术的发展，可用于近红外光探测且能与CMOS工艺集成的Ge/Si波导(Waveguide,WG)雪崩光电二极管(AvalanchePhotodiode,APD)成为了研究

2、热点。一方面，它利用Ge作为吸收层材料，可以拓展器件的波长探测范围；另一方面，它结合WG和APD的优势，使器件具备高响应度和高带宽的特点。同时，随着光电子集成电路的发展，要求Ge/SiWGAPD能实现与光纤的耦合。所以，本文采用绝缘衬底上的硅(Silicon-On-Insulator,SOI)WG设计WGAPD，SOIWG可以在衬底上与锥形波导结构结合从而实现与光纤的耦合。此外，SOIWG不仅能减小衬底吸收现象，还能实现与光电子集成电路的高度集成。同时本文采用吸收区-电荷区-倍增区分离的APD结构，在这种结构中，光子吸收和载流子倍增分别发生在不同区域，互不干扰，能够提高APD的性能。

3、本文具体研究内容如下：首先，器件的设计和性能仿真。在分析了Ge/Si异质结、WG理论和APD理论的基础上，从与光纤的耦合角度出发设计了Ge/SiWGAPD器件的结构；并从SOIWG对芯层尺寸和掺杂的要求，以及APD的自身特性方面对器件进行了参数优化。系统地探讨了不同掺杂、尺寸下APD器件的性能。同时对器件的光暗电流、响应度、频率特性等性能参数进行了仿真分析。研究结果表明：器件的雪崩击穿电压为-26V，在1.0μm~1.4μm范围内具有较高响应度，峰值波长为1.2μm，峰值响应度达到0.75A/W，暗电流为5110A，3dB带宽为10GHz；倍增层在外加高偏压和高光照时会因过剩载流

4、子引起的空间电荷效应而导致雪崩增益降低；吸收层、倍增层掺杂浓度太高，容易导致吸收层出现电场零点现象；电荷层掺杂浓度略高一些可以维持吸收层的低电场和倍增层的高电场；电荷层、倍增层尺寸变化会导致探测器的击穿电压变化；在高偏压下，探测器的3dB带宽随着偏压增大逐渐降低。其次，器件等效电路的建立及其仿真。为了验证所设计Ge/SiWGAPD的性能，建立了器件的等效电路。本文通过对载流子速率方程和噪声的分析，在考虑了寄生效应的情况下，建立了APD的等效电路。利用PSpice仿真软件对等效电路的光电流、暗电流和带宽特性进行了仿真。结果表明等效电路仿真与器件仿真的结果一致。I重庆邮电大学硕士学位论文

5、摘要关键词：吸收区-电荷区-倍增区分离结构，波导雪崩二极管，等效电路，3dB带宽，Ge/SiII重庆邮电大学硕士学位论文AbstractAbstractWiththedevelopmentofepitaxialtechniques,Ge/Siwaveguideavalanchephotodiodes(WGAPDs)becomearesearchfocus,whichappliedtothedetectionofthenear-infraredlightandintegratedwiththeCMOSprocess.Ontheonehand,theycanexpandtherangeo

6、flightdetectionofthedeviceduetouseGematerialasabsorptionlayer;Ontheotherhand,thephotodetectorshavecharacteristicsofhighresponsibilityandhighbandwidthbycombiningtheadvantagesofthewaveguideandAPDs.Withthedevelopmentofoptoelectronicintegratedcircuit,itrequiresphotodetectorstocouplewiththeopticalfi

7、ber.SothethesisdesignawaveguideavalanchephotodetectorsbasedonSOI(Silicon-On-Insulator)waveguide.SOIwaveguidecaneasilycouplewithopticalfiberbyconbiningthetaperedwaveguidestructure.Inaddition,SOIwaveguidenotonlycanreducethephenomeno