（光学工程专业论文）超高速通信用雪崩光电二极管的研究.pdf

中山大学硕士学位论文 论文题目：超高速通信用雪崩光电二极管的研究 专业：光学工程 硕士生：吴家隐 指导教师：王钢教授 摘要 本论文主要研究超高速通信用雪崩光电二极管等效电路模型。在雪崩光电二 极管的频域响应模型的基础上，本论文通过信号与系统理论及电路理论，利用频 域响应与电路模型在数学上的相似性，构造在电路软件使用的雪崩光电二极管等 效电路模型。该模型可用于正面进光和背面进光两种不同进光方式及i n p i n g a a s 和i n a i a s i n g a a s 等两种不同材料体系的雪崩光电二极管以及p i n 光电二极管的 模拟。运用雪崩光电二极管等效电路模型，本论文研究了雪崩光电二极管的带宽 与载流子渡越时间、雪崩建立时间及寄生参量的关系。本论文还提出控制封装参 量可以补偿光接收机前端模块电路的衰减，可以提高光接收机带宽。 关键词：雪崩光电二极管( a p d ) ：光接收机? 等效电路模型； 超高速通信用雪崩光电二极管的研究 t i t l e ：r e s e a r c ho nu l t r a - f a s tt e l e c o m m u n i c a t i o na v a l a n c h ep h o t o d i o d e s m a jo r ：o p t i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：j i a y i nw u s u p e r v i s o r ：g a n gw a n g a bs t r a c t i nt h i sp a p e r , an o v e le q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo fu l t r a - f a s ta v a l a n c h ep h o t o d i o d e s u e s di nt e l e c o m m u n i c a t i o ni ss t u d i e d u l t i l i z i n gs y s t e m sa n ds i g n a l st h e o r ya n db a s i c c i r c u i tt h e o r y , t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e li sd e v e l o p e du p o nb a s i cc i r c u i te l e m e n t s c o r r e s p o n d i n gt ot h ef r e q u e n c yr e s p o n s eo fs e p e r a t e da b s o r p t i o nc h a r g eg r a d i n g m u l t i p l i c a t i o na v a l a n c h ep h o t o i o d e t h ec i r c u i tm o d e lc a nb eu s e df o rt h es i m u l a t i o n o fa p di nd i f f e r e n tm e t e r i a l sa n ds t r u t u r e si ne l e c t r o n i c d e s i g n a u t o m a t i o n s o f t w a r e s p i np h o t o d i o d e si ss i m u l a t e di nt h i sc i r c u i tm o d e l t h ei n f l u e n c eo ft h r e e i m p o r t a n c ef a c t o r so nf r e q u e n c yp e r f o r m a n c ei n c l u d i n gc a r r i e rt r a n s i tt i m e ，a v a l a n c h e b u i l d u pt i m ea n dp a r a s i t i cr l ce l e m e n t so fa p d sa r ei n v e s t i g a t e d c o s i m u l a t i o no f c h i p - p a c k a g e m o d u l ei sa l s oc a r r i e do u ta n di ti sp r o v e dt h a tt h er e s o n a n c ee f e c tm a y b eu s e f u lf o re n h a n c i n gt h eb a n d w i d t ho f r e c e i v e rm o d u l e k e y w o r d s ：a v a l a n c h ep h o t o d i o d e s ( a p d ) ；o p t i c a lr e c e i v e r ；c i r c u i tm o d e l 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，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 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：关囊稳 日期：如f o 年月 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：鎏臻德、 日期：刁。年月7 日 导师签名： 醐啪胪 7 日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成的成果， 该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家知识产权法保护。在学期 间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人， 未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名 公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：磁、 日期：砷年6 月7 日 中山大学硕士学位论文 第一章雪崩光电二极管的发展 1 1 光纤通信的发展 目前，光纤通信技术的发展给人类社会带来了巨大的变化。光纤通信系统的对光纤 通信系统性能起着重大影响的四种关键线路器件分别为光纤、光源、光电探测器和光放 大器。 第一代光纤通信系统的工作在早期石英光纤的一个低损耗窗口，即8 0 0 n m 到9 0 0 n m 波段。第一代系统使用g a a s 为基础材料的半导体激光二极管作为光源，硅基p i n 光电 二极管和雪崩光电二极管( a v a l a n c h ep h o t o d i o d e ，a p d ) 作为光探测器和多模光纤作为 光纤通道。多模光纤的模间色散和损耗限制了第一代光纤通信系统的传输容量。 随着光源和光电探测器的进步，第二代光纤通信系统的中心波长移到1 3 1 0 n m ，即 损耗更低，色散更小的第二窗口。i n p 、i n g a a s 成为光源和光探测器的主要材料。单模 光纤也取代了多模光纤。 工作在1 5 5 0 n m ，即第三窗口的光纤通信系统具有最低的损耗，但常规单模光纤在 这一波段的色散比较大。色散位移光纤的出现使第三窗口成为第三代光纤通信系统的主 要通道。速率为2 5 g b s 以上的光纤通信系统采用i n p 基的p i n 光电二极管和雪崩光电 二极管作为光电探测器。工作在1 5 5 0 n m 的掺铒光纤放大器( e d f a ) 的出现使光纤传 输容量有突破性进展。 近年来，e d f a 与波分复用( w d m ) 技术已经在光纤通信系统大量使用。1 0 g b s 光纤通信系统已经开始无法满足人们日益增长的需求。4 0 g b s 光纤通信系统开始商用， 这对探测器速度带来更高的要求。除传统的a p d 、p i n 光电二极管外，金属半导体金 属光电二极管( m s m p d ) 和单行载波光电二极管( u t c p d ) 也开始应用于通信光探 测器领域。探测器结构也由传统的垂直进光方式发展到谐振腔式和波导式。制作探测器 材料也由i n p i n g a a s 发展到i n a l a s i n g a a s 及g e s i 等。 1 2 通信用光电探测器的分类 常用的p i n 光电二极管是在i n p 材料的p 层和n 层间插入一个非掺杂( 或轻微掺杂) i n g a a s 材料的本征层( i 层) 。p i n 光电二极管的制造工艺简单，成品率高，速度快， 超高速通信用雪崩光电二极管的研究 成本低，在光传送网中广泛使用。p i n 光电二极管用于接入网可以有效地降低成本，在 以太网无源光网络( e p o n ) 及千兆无源光网络( g p o n ) 中大量使用。p i n 光电二极管 的灵敏度比a p d 差几个d b ，中继距离比a p d 短，需要的中继站数目多。 a p d 很好地解决了p i n 光电二极管的灵敏度低的问题。入射光到达a p d 的吸收层 后，形成光生载流子。光生载流子在偏置电场作用下向器件两端运动。进入a p d 的倍 增层的光生载流子在高电场下与倍增层发生碰撞电离，从而形成大量的电子空穴对。 a p d 的内增益特性，使a p d 具有高灵敏度、低噪声和高倍增带宽积的优点。由于这些 优点，a p d 广泛应用在2 5 g b s 及l o g b s 长途光纤通信系统及无源光接入网的g p o n 。 r “k 知珧啊尊q h n 细 d 攀- i r h _ l 一棚山巾m 捌曲n l | ，叶 - r “d 碡t 轴毒啊内糟瓣 f 2 p n o - b 州c p i n g a a i p b m p l 毋6 馥嗣撩n 脚h 弦 i l n 【i t - ” l n p n l j l p d 茸i l 哪 b a 坩b 黻 l l - i p 啊出。胡脚 小瞄 i h ，幽嘴 图1 - 1 四种常见通信用光电探测器( 1 ) p i n 光电二极管( 2 ) 雪崩光电二极管【2 】 ( 3 ) m s m 光电二极管1 2 1 ( 4 ) 单行载波光电二极管【2 1 m s m 光电二极管是由两个肖特基接触夹着非掺杂的半导体层构成的，其光敏区是 半导体基片上两个金属电极之间的夹层【3 1 。m s m 光e g - 极管具有较低的寄生电容，带 宽高至2 0 - 5 0 g h z ，制造工艺简单，且易于与f e t 集成。这些优点使m s m 光电二极管 受得人们的关注。在i n g a a s 上，m s m p d 比较难获得良好的肖特基接触。由于电极对 2 中山大学硕士学位论文 入射光的阻挡作用，m s m 光电二极管的量子效率较低。使用透明电极或背面进光的方 法，可以部分解决这一问题。m s m 光电二极管的另一个缺点就是暗电流较大。这些因 素限制m s m p d 在长波长光通信系统的应用。 u t c p d 具有p 型的光吸收层和宽带隙材料的电子收集层。光生空穴在光吸收层中 直接被收集，只有电子需要渡越到电子收集层。电子的迁移速度比空穴快得多，而且电 子在收集层会产生速度过冲，从而使器件具有很高的响应【4 】。u t c p d 还具有高饱和输 出，低偏置电压等优点，正在成为超高速光探测器的研究热点。 a p d 具有独特的内增益机制，从而拥有高灵敏度、低噪声等优点，因此在1 0 g b s 长途光通信系统中得到广泛应用，是国内外研究的热点课题。本文就a p d 等效电路模 型、a p d 性能的影响因素及基于a p d 的光通信接收机前端模块优化设计展开讨论。 1 3 雪崩光电二极管的发展 随着光纤通信的发展，雪崩光电二极管的外延层结构也从最初的p i n 结构，发展到 了s a m 、s a c m 乃至s a c g m 结构。器件也由台型面向平面型发展。 早期的a p d 采用p i n 结构，光子吸收与雪崩效应发生在同一区域，在高电场下隧 道效应严重，因而暗电流大，噪声性能较差。这一因素使p i n a p d 利用碰撞电离( i m p a c t i o n i z a t i o n ) 效应来产生内增益的功能受到噪声的限制。s a m ( s e p a r a t ea b s o r p t i o na n d m u l t i p l i c a t i o n ) a p d t 5 】使用隧道效应不明显的宽带隙半导体材料如i n p 作为高电场倍增 区，以及i n g a a s 作为相邻的吸收区，这有效地抑制了隧道效应，减少器件暗电流。在 s a m a p d 中适当地控制倍增层的电荷密度，可以保持足够高的电场来获得高雪崩增益， 同时使i n g a a s 吸收层电场足够低来抑制隧道效应和碰撞电离。然而，光生空穴在吸收 层与倍增层间的异质结表面积累，这致使s a ma p d 的频率响应很差【6 】。为了解决这一 问题，s r f o r r e s t 在吸收层与倍增层间加入缓冲层( g r a d i n gl a y e r + ，或称t r a n s i t i o nl a y e r 即传输层) ，即采用s a g m 结构【6 】。s a g m 结构通常采用用一或多几晶格匹配间接带隙 i n x g a l x a s l y p y 层作为缓冲层【6 】【7 1 。为了控制吸收层与倍增层的电场，使倍增层高场强 以增强碰撞电离，而吸收层低场强以抑制隧穿电流，s a c m 结构a p d 被广泛采用。s a c m a p d 是使倍增区具有高低掺杂浓度曲线分布【8 ，9 1 ，即包含了一个非意掺杂的倍增层和重 掺杂电荷层( c h a r g el a y e r ，或称为场控制层f i e l dc o n t r o ll a y e r ) 。目前a p d 通常采用 s a g c m 结构【1 0 j 2 1 ，将缓冲层和电荷层的优点结合在一起1 。 1 有的文献【1 0 1 也用s a c ma p d 来表示s a g c ma p d ，称呼不同，但实际都是s a g c m 结构。 3 超高速通信用雪崩光电二极管的研究 l 圆圆 图l - 2a p d 结构示意图( i ) s a ma p d ( 2 ) s a c ma p d ( 3 ) s a g c ma p d a p d 又可以分为台面( m e s a ) 和平面( p l a n a r ) 两种类型。台面型a p d 是在外延片上腐 蚀出有源区台面，再通过钝化层来保护器件表面。这种类型的a p d 制作工艺简单，是 早期制作a p d 的常用方法。相对于台面型a p d ，在n 型i n p 层扩散形成掩埋p n 结的 平面型a p d 具有可靠性高，暗电流小等优点。平面型a p d 主要面临的问题是p n 结的 边缘击穿。p 型扩散区边缘具有曲线效应，电场相对p n 结中心的有源区高。随着电压 的增大，p n 结边缘会在p n 结中心有源区尚未击穿前就已经击穿，这就是p n 结的边缘 击穿效应。边缘击穿效应会导致器件可靠性变差、暗电流增大。以下方法可以有效抑制 边缘击穿：侧向扩展保护环【13 1 、悬浮保护环f 1 0 】、电荷层边缘预腐蚀【1 4 1 、刻蚀扩散阱【1 5 】、 电荷层的选择性离子注入。 8 c 8f m s s a s a t o a p + l t t t 6 a sc o n t a c t 哟l 螨s 蹦b 翁妇妇辨 q r a t t r r jl a v e f m g a a sa 躔n 1 雨 掣a 洼嘲t a v e f 玎簿罐c o n t a c t l n a l s 口皤口ec o n t r o l l n a t a sm i 豌跚c a t l o a 肿l n a a sc o n t a c t h i tp ( a )( b ) 图1 3 台面型和平面型雪崩光电二极管( 1 ) 台面型a p d 1 6 1 ( 2 ) 平面型a p d 1 7 】 4 ( a ) s t x i 1 。”“。l k k t n xll 一 文p 坤j 牛干i 卜；一i “。8 镰：d c 3f il a 细p 出l 举s 融? 一 舭e $ t p s l 1 i s - 扭o l 1 瑚翻，- 和b - 4 _ - ； n b i g g e r l a p ，；、r 1 1 4 , l 一由_ 瞻 ( c ) 图1 4 各种结构的平面型a p d ( a ! ：堕! 丝! ! 曼 一一一 _ 1 时s u b l m h t e ( b ) l 童。 l l ；：? ) l 舟h pn l o 自赢：1 d i n 忡d n e n 州 2e 勰。拓 i 一l l l i 上 l k 忡t e t t t t t m e ( d ) ) 侧向保护环【1 3 】( b ) 悬浮保护环 ( c ) 电荷层边缘预腐蚀( d ) 刻蚀扩散阱 将这些方法相结合，可以制作出性能更好的平面型a p d 。如文献将腐蚀扩散阱 与双保护环两种方法相结合制作a p d ，结构见图1 - 5 。 图1 5 双保护环与腐蚀扩散阱结合 5 超高速通信用雪m 电= 极管的研究 1 4 雪崩光电二极管的最新进展 随着光通信系统速率提高到1 0 g b s 乃至4 0 g b ，s ，传统的i n p i n g a a s a p d 主要面临 着两个因素的限制： 1 、传统的l n p i n g a a sa p d 主要采用垂直进光的方式。这种进光方式使光吸收跟载 流子的漂移方向在一条线上。要增加器件的量子效率，就要使i n g a a s 吸收层增 厚。要使光吸收达到9 0 ，就要使吸收层厚度达到25pm 。而吸收层的增厚会 导致载流子渡越时间的增长，从而使低增益区a p d 的带宽减小。这种量子效率 与带宽的矛盾导致a p d 需要在其中作折衷。 2 、在高增益区，由于l n p 材料碰撞电离系数限制的限制，i n p i n g a a sa p d 增益带 宽积相对较低( 1 0 0 6 i z ) ，并导致高过量噪声。 对a p d 的研究主要集中在研究新结构和噪声更低，速度更高的新材料。 为了克服垂直进光方式带来的量子效率与带宽的矛盾这一问题，人们研究出具有法 布里一珀罗腔的谐振腔增强型雪崩光电二极管( r e s o n a n tc a v i t ya p d 即r c ea p d ) t 2 “。 r c ea p d 将有源器件结构置入两个i 4 波长薄膜堆栈构成的分布布拉格反射镜( d b r ) 中间】。符合谐振条件的光线进入谐振腔后在腔内多次反射，这样就能在减薄吸收层 的同时得到较高的量子效率，解决了量子效率与频率响应之间的矛盾。r c ea p d 的制 作过程比较复杂，可重复性较差，这使r c e a p d 的发展受到限制。 图1 6 r c e a p d e 2 。1 另一种改进进光方式的方向是采用侧面进光的波导雪崩光电二极管( w a v e g u i d e a v a l a n c h ep h o t o d i o d e ，w d a p d ) 1 2 2 ”。光从侧面通过锥形耦合器，或者光匹配层，又或 者直接耦合到a p d 边缘，进入w d a p d 的吸收层，在吸收层中横向传播。这样就可以 中山大学硕士学位论文 在减薄吸收层，即减小纵向长度的情况下，不影响光吸收，解决了响应频率与量子效率 之间的矛盾。垂直进光a p d 需要在金属电极中留进光窗口。进光窗口大，会导致寄生 电容增大，r c 时间长，a p d 频率响应慢。但进光窗口小会导致封装难度加大，光线容 易因电极的阻挡而只有部分进入a p d 。w da p d 是侧面进光，不需要在电极上留进光 窗口，这样可以把器件电极作小，寄生电容和寄生电阻减小，从而获得更好的频率响应。 波导雪崩光电二极管因其优越的性能，成为4 0 g b s 及更高速率光通信接收机的研究热 点。j c c a m p b e l l 的小组制作出带宽增益积为3 2 0 g h z ，量子效率为1 6 ，低增益时带 宽为2 8 g h z 的i n a l a s i n g a a s 波导雪崩光电二极管【z 4 j 。 图1 7 w d a p d 2 6 1 a p d 的倍增区对a p d 性能，特别是增益、噪声和带宽增益。根据m c l m y r e 的局部 场雪崩理论【2 7 ，2 引，a p d 的增益和增益噪声主要取决于倍增区半导体的空穴电离系数q 和电子电离系数b 之比k = 1 3 q 。由局部模型得可，k - = - l 时a f d 具有较低噪声。雪 崩建立或消失过程所需的时间决定了带宽增益，增益越高，相应的时间常数越高，带宽 越低。 通过控制倍增层厚度w n l 到低于微米数量级也能够得到低噪声、高带宽增益a f d 。 在倍增层比较厚时，弛豫空间( d e a ds p a c e ) 对器件性能的影响可以忽略不计，此时局部模 型可以适用。但在倍增层减薄时，弛豫空间长度对器件性能起了重大影响。在高电场下， 弛豫空间随电场增加而减小的幅度不明显，而碰撞电离的几率分布函数( p r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o nf u n c t i o n , p d f ) 曲线明显随电场增加而变狭。p d f 宽度比弛豫空间长度的减小 得更快，电离过程的决定性作用更明显，m 的变化减少。很多材料制成的薄a p d 都有 噪声降低的特性，这些材料包括：i n p ，g a a s ，i n x a l l x a s 和s i 等。 目前，低噪声a p d 研究的热点材料通常为s i 、h g o 7 c d o i 3 t e 及i n a i a s 。 h g o 7 c d o 3 t e 的截止波长约为4 3um ，并且这种材料k - - 0 1 2 9 1 ，能够得到的低噪声。 h g o 7 c d o 3 t e 需要在冷却的条件下工作才能降低暗电流。若能研制出室温下工作，且具有 更低带隙的的h g o t c d o 3 t e a p d ，这种a p d 也许会成为目前i n p i n g a a s a p d 的竞争者。 7 超高速通信用雪崩光电二极管的研究 在16 u m 的l 波段利用s i 材料优良的噪声特性可以制成窄带隙吸收区( 如 i n o5 3 g a o4 7 a s ) 加s i 倍增区的a p d 结构1 3 0 - 3 2 】。这种办法很有吸引力，因为s i a p d 具有 很高的带宽增益，而且截止电压相对温度的变化率远小于l n pa p d 。s i i n g a a s 异质结 a p d 在增益m - - 5 0 时的暗电流为4 1 0 4 a c m 2 ，口，噪声水平比得上s j 同异结a p d ( k - - 00 2 ) i j “带宽为48 g h z 。i n g a a s 和s i 材料晶格不匹配因此不能在s i 上直接 生长i n g a , a s 。英特尔公司在2 0 0 8 年1 2 月成功开发了在1 3 0 0 n m 波长工作的正面进光的 平面型硅基s a c ma p d 。这种以锗( g e ) 为吸收层，硅为倍增层的a p d 通过优化生长的 温度等参数，解决了位错和缺陷变大导致的暗电流增加的问题【3 3 1 。o e s i a p d 的k 印0 9 ， 带宽增益积达3 4 0 g h z ，是目前工作在1 3 0 0 n m 的a p d 中的最高纪录。其灵敏度在1 0 g b s 工作条件下达到一2 8 d b ，跟成熟的商用i i i v 族a p d 一样。这为以后通过c m o s 工艺来 制造低成本，4 0 g b s 以上工作速率的g e s i a p d 提供了可能性。g c 材料作为吸收层的 问题足它在1 5 0 0 波段以上时吸收率下降，但这个问题可以通过采用侧面进光的波导结 构来解决m 。g e s i a p d 可能会成为i l i v 族a p d 的有力竞争对手。 幽i - 8 g e s i a p d 中山大学硕士学位论文 1 1 1 0 5 2 仙4 8 a s l 是一种有希望代替i n p 的材料。i n a l a s 与i n p 晶格匹配，可以在i n p 衬底上生长。i n a l a s 材料在4 0 0 到6 5 0 k v c m 的场强下，b q 值约等于o 3 到0 4 ，这 比i n p 材料的q b - - 0 5 到o 6 要好。薄i n a l a s 层也可以用于s a c m 的倍增区。在1 5 5 l am 工作的台面结构r c ei n g a a s i n a l a ss a c ma p d 具有7 0 的外量子效率，2 4 g h z 的平均增益带宽，k , - - 0 1 8 的噪声系数，和2 9 0 g h z 的增益带宽积1 2 0 。也有几种平面型 i n a i a s 已经研制成功。n 型扩散源与电子注入难以结合，故平面型1 1 1 p i n g a a sa p d 工 艺上更难制作。w a t a n a b e 等研制出一种类平面型，结合多量子阱倍增层和t i 注入保护 环的i n a l g a a s i i u 姒sa p d 3 5 ，3 6 】。增益为1 0 时，该a p d 的暗电流为0 3 6ua ，外量子 效率为6 7 ，带宽增益为1 1 0 g h z 。这种a p d 遇到难以优化t i 离子剂量、t i 活化退火 和暗电流较高等技术难题【3 7 】。另外，i n a l a sa p d 更容易制成掩埋p n 结结构，从而避免 了制作复杂的保护环。最近研制出没有保护环的平面结构i n a i a s i n g a a ss a c m a p d ”哪】，其横截面如图有源区是由z n 通过i n p 窗口层扩散到i n g a a s 吸收层。在 这种情况下，p n 结和高场区位于扩散面下、p 型i n a l a s 电荷层和薄( 2 0 0 n m ) 非有意 掺杂的i n a l a s 倍增层之间。e y a g y u2 0 0 9 年研制的a p d 3 9 】带宽增益为1 2 0 g h z ，在增 益为1 0 情况下过量噪声系数为2 9 。在1 0 g b s 下，其响应度为3 7 0 d b m 。 n - i n ps u b s t m t e 、r 卜c o n 协d 。一a y 瞒 a 归曝 e o a t n o 图1 9 无保护环的平面结构i n a l a s i n g a a ss a c ma p d 3 9 】 薄倍增区a p d 结合新材料和适当地设计异质结控制碰撞电离( 1 2 e ) 可以进一步减 小器件噪声。在结构上，i z e 与多量子阱( 经常被错误地认为是多晶格) a p d 相似。但 它们有本质上的不同，1 2 e 不涉及带间不连续的异质结。这种结构的倍增层中，电子从 宽带隙材料迁移到相邻的狭带隙半导体。w a n g 等【4 0 1 研制出倍增层为单阱或梯度式的 1 以下称为i n a i a s 9 超高速通信用雪崩光电二极管的研究 i n a l a s i n g a a l a sa p d ，噪声k - - o 1 2 ，且暗电流与同质结i n a l a sa p d 可以比拟。d u a n 等用m b e 长成相似的i n g a a l a s1 2 ea p d ，其横截面结构图如图絮带宽增益积达 1 6 0 g h z 。 图1 1 0s a c mi n a l a s i n g a a i a s1 2 ea p d 结构图【4 1 1 图1 - 1 11 2 ei n o 5 2 g a 0 1 5 a i o 3 3 a s i n o 5 2 a i o 鹌a ss a c m a p d 增益与噪声系数f ( m ) 关系【4 1 】 1 0 中山大学硕士学位论文 第二章雪崩光电二极管的性能与结构 2 1 雪崩光电二极管的性能指标 评价雪崩光电二极管性能的主要指标有：响应度( r e s p o n s i v i t y ) ，暗电流( d a r k c u r r e n t ) ，增益( g a i n ) ，过剩噪声( e x c e s sn o i s e ) ，带宽( b a n d w i d t h ) ，频率响应( f r e q u e n c y r e s p o n s e ) 。 2 1 1 响应度 响应度定义为每单位入射光功率在光电探测器上形成的光电流，单位为w ，常用 来反映光电探测器的光电转换效率。另一种表征光电转换效率的方法是量子效率。量子 效率表示每个入射光子在探测器中产生的电子空穴对数目。量子效率的表达式为： 7 7 删= ( 1 一只) ( 1 一e 一础) ( 2 1 ) r 是器件表面反射系数，q 是吸收层材料吸收系数，d 是光吸收长度。i n g a a s 对于 波长为1 5 5 0 n m 近红外光的吸收系数一般为。 量子效率也可以定义为： 卵，。：丝 ( 2 2 ) 叼鲥2 而i 。z z ，是光生电流，尸是入射光功率，办v 是入射光子能量，e 是电子电荷。 响应度定义为光电流与光功率之比： 孵，：一i ：一r e ( 2 3 ) 尸厅v 从( 2 3 ) 可以看出，响应度与反射系数、吸收系数、光吸收长度及波长等四个因素 有关系。对于工作在1 5 5 0 r i m 波长的长途光纤通信系统a p d 来说，前三个因素起到决定 作用。 如图2 1 ，相对于其它材料，i n g a a s 对1 5 5 0 n m 波长的吸收系数最大，约为1 1 5 1 0 6 ，因此常作于长途光通信系统光电探测器的吸收层。g e 的吸收率在1 5 0 0 波长附近开 始急剧下降。 超高速通信用雪崩光电二极管的研究 l 0 , 60 , 81 , o l - 2 1 , 41 , 61 , s w m e l e n 2 t h 蕾m l 川 图2 1 波长与半导体材料吸收率数关系曲线图 在垂直进光的a p d 里，光吸收长度等于吸收层厚度，这导致响应度与频率的矛盾。 而谐振腔式的a p d 使光在谐振腔中来回照射，这样使光线的吸收长度不依赖于吸收层 厚度。而侧进光a p d 侧利用了吸收层的横向长度作为光吸收长度，与吸收层厚度无关。 吸收层的横向长度比厚度大得多，光吸收率大。g e 的吸收系数相对较小，要取得高响 应度，可以通过谐振腔或侧进光波导结构来增加光吸收长度。 表面反射系数也是影响探测器响应度的重要因素。文献【4 2 】表明，在探测器进光窗口 镀上增透膜后，探测器透射率明显大于没有增透膜的情况，而且s i 3 n 4 作为增透膜的效 果要明显优于s i 0 2 。 2 1 2 暗电流 在无光照情况下，光电探测器由于热电子发射等原因产生自由载流子。这些载流子 在偏置电场的作用下漂移，从而形成电流，这种无光照时产生的电流即暗电流。暗电流 会影响光电探测器的信噪比，是光电探测器要尽量降低的参数。暗电流包括表面暗电流 和体暗电流。 表面暗电流与表面缺陷、清洁度、表面面积及偏置电压大小等参数有关。因此常在 探测器表面长一层帽层( c a pl a y e r ) 。台面型探测器在制作台面的工艺的刻蚀和腐蚀中， 会使i n p 、i n g a a s 及i n g a a s p 等材料侧面晶格受损，少子在表面处复合增加，这大大增 加了器件暗电流，这也是平面型探测器性能优于台面型探测器优的原因。为了减少表面 暗电流，平面型和台面型雪崩光电二极管在c a p 层以上要加上一层钝化层。目前作为钝 1 2 _if】8i_管盘u曙暑。州葛扫u葺u山“i 一【l高。一-口：葛。o。皇。霉lio的iq蜀町 中山大学硕士学位论文 化层的材料有：s i 0 2 2 4 , 4 0 , 4 3 , 4 4 】、s i 3 n 4 【9 , 4 5 、聚酰亚胺( p o l y i m i d e ) 2 0 】、b c b 1 7 , 4 6 】。但 s i 0 2 膜结构相对疏松，针孔密度较高，对水汽和其它气体渗透率很高，并且抗碱金属离 子扩散的能力很差【4 7 】。因此s i 0 2 膜的暗电流及可靠性比s i 3 n 4 差。和s i 0 2 膜相比，s i 3 n 4 膜在抗杂质扩散和水汽渗透能力方面具有明显的优势，而且有极高的化学稳定性、硬度， 耐高温，有抗热冲击能力。同时，s i 3 n 4 膜作为增透膜效果比较好。聚酰亚胺及b c b 钝 化后的暗电流比s i 3 n 4 小一个数量级【4 6 】，而且能够使台面a p d 的表面平坦化，方便之 后的蒸镀金属接触层等工艺，增加器件可靠性。如图2 2 ，用聚酰亚胺来作钝化和表面 平坦化，再用s i 3 n 4 作增透膜，这样就可以将聚酰亚胺和s i 3 n 4 的优点结合起来1 4 引。 图2 - 2 聚酰亚胺为钝化层，s i 3 n 4 为增透膜 体暗电流包括扩散电流、产生复合电流、隧道电流。在能产生雪崩增益的高反向偏 置电场中，扩散电流小到可以忽略，起作用的是p n 结处产生的隧道电流和参与雪崩倍 增的产生复合电流。 2 1 3 增益 a p d 的内增益是由雪崩倍增过程来实现的。电子和空穴在高电场中被加速。在它。 们获得能将电子从价带激发到导带的能量后，将会发生碰撞电离。载流子碰撞电离所需 的最小能量称为门限能量e i ，这个能量比带隙能量更大。一般来说，电子和空穴的门限 能量不同。 电子和空穴的碰撞电流过程通常用碰撞电离率q 和1 3 来表征。q 和1 3 分别定义为电 子或空穴发生碰撞电离的平均距离的倒数。在加速过程中，电子和空穴也会在非电离的 碰撞过程中损耗能量，如声子散射。 对于局部模型，碰撞电离系数常用c o o k 关系【4 9 】来计算： 超高速通信用雪崩光电二极管的研究 表2 1c o o k 关系 掺杂浓度( c m 3 ) 场强1 0 5 ( v c m )q ( c m l ) b ( c m 1 ) 1 2 x 1 0 1 5 2 4 3 8 1 1 2 1 0 7 e x p ( 3 1 1 1 0 6 e ) 4 7 9x10 6 e x p ( 2 5 5 10 6 e ) 3 0 1 0 1 63 6 5 62 9 3 10 6 e x p ( 2 6 4x10 6 e )1 6 2x 1 0 6 e x p ( 2 1 1 1 0 6 e ) 1 2 1 0 1 75 3 7 7 2 3 2 1 0 5 e x p ( 7 1 6 1 0 1 1 e 2 、 2 4 8x10 5 e x p ( 6 2 3x10 1 1 e 2 ) 非局部场模型中，q 和b 不仅跟电场强度有关，也跟载流子的历史和位置有关5 0 1 。 除了这些理论模型外，罗特卡罗模拟也被应用于研究载流子在倍增层的行为，包括q 和 1 3 的数值5 1 1 。 电子和空穴引起的增益可用下列等式计算： m 。= 丽- 高- 一 ( 2 4 ) 1 一j ：a e x p 一j ：( a 一，) d x d x 蜂2 示一 晓5 ， 雪崩光电二极管的电流增益用倍增因子m 来表征，其定义为： m ：盈 ( 2 6 ) lp 式中，厶为未倍增时的初级光电流，凡为有雪崩倍增后输出的反向电流。 通过以下公式，增益曲线能够很容易地从实验i v 曲线得出 m ：! 丝竺二! 氅 ( 2 7 ) i 啪n 。懒。一i m q 黼 易_ i l 和钿分别是发生雪崩倍增后的光电流和暗电流，k 批细和l 啦枞分别是平 均增益光电流和平均暗电流。 2 1 4 过剩噪声 雪崩光电二极管的雪崩增益过程也引入了过剩噪声。碰撞电离过程是一个随机过 程，这种随机性产生了过剩噪声，使器件噪声增加。过剩噪声由噪声功率谱密度 6 来 表征，即为1 h z 带宽的噪声电流的方均根。 最常用的a p d 理论是由i l jm c i n t y r e 在1 9 6 6 年提出的局部场理论【2 7 1 。 m c i n t y r e 基于局部场假设：倍增层是均匀的，而且电子和空穴对碰撞电离过程的影响与过去无关。 a p d 的噪声功率谱密度为： 1 4 中山大学硕士学位论文 s = 2 e i 。脚m 2 f ( m ) r ( c o ) ( 2 - 8 ) r ( ( ) ) 是器件和测试电路的阻抗，m 是平均雪崩增益，厶脚是平均增益光电流，e 是 电子电荷量。过剩噪声系数f ( m ) 可以表示为 删) = 黔= 枷+ ( 1 叫( 2 一击) ( 2 9 ) 式中k = 1 3 q 。过剩噪声仅与平均增益 和k ，即空穴和电子碰撞电离系数之比有关。 这表明，只有k 偏离1 ，即b 和q 之间相差很大时，噪声系数比较低，器件噪声性能更 好。局部场模型能有效地反应了厚倍增层的a p d 的性能上，但不能用于薄倍增层a p d 的分析。 在实际a p d 器件中，载流子在发生一次碰撞后，需要经过一段距离，才能获得下 次碰撞所需要的能量。这段距离叫弛豫空 司( d e a ds p a c e ) 。弛豫空间是载流子碰撞门限能 量和电场曲线的函数。在非局部模型中，要考虑弛豫空间的影响，即引进了载流子的过 程。在厚倍增层结构中，弛豫空间长度跟倍增层厚度相比可以忽略不计，因此局部场模 型与实际器件相接近。 2 1 5 带宽 带宽是雪崩光电二极管的重要性能。雪崩光电二极管的带宽由以下因素决定：l 、 电子和空穴的渡越时间；2 、r c 时间常数；3 、带宽增益积。 a p d 的电子和空穴的渡越时间由载流子的漂移时间、扩散电流、载流子俘获决定。 能过s a g c m 结构，使光子吸收仅在吸收层，可以有效消除扩散电流。缓冲层的使用抑 制了载流子俘获。因此，在s a g c ma p d 中，a p d 的载流子渡越时间主要由载流子漂 移时间所决定。漂移时间与器件有源区厚度及电子、空穴的饱和速度有关。谐振腔结构 和波导结构a p d 都是通过减少吸收层厚度来获得高带宽。 r c 时间常数与有源区面积、厚度有关。寄生电容主要由势垒电容和电极衬底电容 组成。p n 结上的外加电压发生变化时，势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化，形 成势垒电容。势垒电容表达式为： c ，：丝( 2 1 0 ) 1 矽 式中c t 为势垒电容，为介电常数，a 为耗尽区面积，w 为耗尽层宽度。 电极衬底电容是电极与衬底间材料的介电性引起的，表达式为： g = 警 协 超高速通信用雪崩光电二极管的研究 式中b 是介质层的介电常数，a b 是电极面积，d b 是介质层的厚度。缩小耗尽区及电极 面积，有助于减小r c 常数，提高器件带宽。 对于a p d ，其增益带宽积( g a i l lb a n d w i d t hp r o d u c t ，g b p ) 为【5 2 】： 钟钣埘2 去 q 。2 m 是增益，岛是带宽，【m 是本征反应时i 司( i n t r i n s i cr e s p o n s et i m e ) ，表征电子和空 穴离开倍增层所需要的平均时间【5 3 】。 t 是雪崩建立时间( a v a l a n c h eb u i l d u pt i m e ) ，表示初级和二次载流子通过倍增层的总 时间【5 4 1 。增益带宽积由雪崩过程的所需要的时间来决定。增益越大，相应的雪崩时间 也会更大，带宽就越小o 在均匀电场，载流子达到饱和速度的条件下，雪崩建立时间表 示为【5 5 】： f = m f 朋 ( 2 1 3 ) tm 是本征反应时间( n r i i l s i cr e s p o n s et i m e ) ，其表达式为嗍： r 朋：k l 旦监 ( 2 1 4 ) 式中幻是个与肛1 3 q 值有关的修正系数，值介于1 3 到2 之间。tm 是表征电子和空穴 离开倍增层所需要的平均时间【5 ”。在均匀电场假设下，tm 的表达式又可以为： f ：一e x p ( f l - a ) w - 1 ( 2 1 5 )f = 一 二。 m 1 ，# + v 卢一a1 ，# + v p a 式中v e 和v h 分别是电子和空穴的饱和速度。 在非均匀电场中，tm 的计算式是【5 6 ，5 7 】： 铲击f - k 2 e x p 一似) 坝) 例恤( 2 - 1 6 ) 式中k 2 是与k 及饱和速度有关的修正系数。 2 2 器件结构 通常，a p d 的设计主要是确定每层浓度和厚度。s a g c mi n p i n g a a s a p d 内每层内