砷化镓双光子响应探测器特性研究及其电极优化

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1、分类号：O472单位代码：10183研究生学号：2013522016密级：公开吉林大学硕士学位论文（学术学位）砷化镓双光子响应探测器特性研究及其电极优化CharacteristicsofGaAstwo-photonresponsephotodetectorandoptimizationofitselectrodes作者姓名：李明利专业：通信与信息系统研究方向：光通信与光电子学指导教师：刘秀环副教授培养单位：通信工程学院2016年6月未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本

2、的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学硕±学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果

3、由本人承担。‘学位论文作者签名］：和麻日期：年丈月—————————————————————砷化镓双光子响应探测器特性研究及其电极优化—————————————————————CharacteristicsofGaAstwo-photonresponsephotodetectorandoptimizationofitselectrodes作者姓名：李明利专业名称：通信与信息系统指导教师：刘秀环副教授学位类别：工学硕士答辩日期：年月日砷化镓双光子响应探测器特性研究及其电极优化摘要在电光取

4、样技术和高速光通信系统中，对1.31μm和1.55μm这两个重要波长的超短激光脉冲测量变得越来越重要。而砷化镓的双光子响应波长范围恰好覆盖了这两个重要波长，因此，研究砷化镓双光子响应探测器具有实际意义。但是，目前存在该探测器工作的主要物理机制尚不明确，探测器的响应度仍需进一步提高的问题。基于上述问题，本论文展开了如下研究工作：为了探究砷化镓双光子响应探测器工作的主要物理机制，我们实际制作了底面为(001)面，半径为3mm的半球形砷化镓探测器，并研究了探测器的双光子响应特性。在1.55μm连续波激光的

5、作用下，探测器中产生的光电流与入射光光功率成二次方关系；光电流随外加偏压的增加未出现饱和现象而是也呈现二次非线性依赖关系；光电流随基频光偏振方向的变化关系与场致光整流效应的理论结果相一致。这些研究结果表明倍频吸收是砷化镓双光子响应光电探测器工作的主要物理机制。同时，基于光电流与外加偏压成二次关系和光电流的各向异性研究结果，可得场致倍频吸收在砷化镓探测器发生的双光子响应过程中也扮演了重要的角色。此外，实验结果还表明，由于半导体砷化镓材料表面电场的存在，使得半球底面中心处的电极接电源负极比接正极时的光电

6、流更大，而暗电流更小，因而获得较大的光/暗电流之比。另外，在相同条件下（相同光照和相同偏压下），针-弧形电极结构探测器中产生的光电流大于同心圆形-环形电极结构的情况。由此可见，有源区的电场分布及电场强度将对探测器的响应度产生影响。为了提高砷化镓双光子响应探测器的响应度，我们在已优化的砷化镓半球形光学结构基础上，又进一步优化了电极结构，分别设计了叉指和针尖组两种电极结构。基于ANSYS有限元分析软件对这两种电极结构制作在半球形砷化镓样品上时将产生的电场分布进行了模拟仿真。仿真结果表明，随着叉指电极指间

7、距的不断减小，针尖组电极尖端个数的不断增多，有源区的电场强度逐渐增强；而且在相同偏压下，针尖组电极要优于叉指电极。我们利用蒸发和光刻技术，在片状砷化镓样品上制作了所设计的不同尺寸的电极结构，并研究了不同电极结构下探测器的光响应特性。在1.55μm连续波激光的作用下，对于叉指电极，综合光电流与光/暗电流之比随外加偏压的变化情况，得出指间距为30μm时更优；对于针尖组电极，随着电极尖端个数的增多，探测器中光电流与光/暗电流之比特性不断改善，这与仿真结果基本一致。期望在半球形砷化镓样品上制作出优良的针尖组

8、电极结构，结合优化光学和电学结构，进而提高探测器的响应度。I关键词：砷化镓晶体，双光子响应，光学结构，电学结构IICharacteristicsofGaAstwo-photonresponsephotodetectorandoptimizationofitselectrodesAbstractThemeasurementsofultrashortlaserpulsesattwoimportantopticalwavelengthsof1.31μmand1.55μmar