一种基于0.18 μm CMOS工艺的高响应度

设计了一种基于0.18 μm CMOS工艺的高响应度雪崩光电二极管(APD)。该APD采用标准0.18μm CMOS工艺,设计了两个P+/N阱型pn节,形成两个雪崩区以产生雪崩倍增电流。雪崩区两侧使用STI(浅沟道隔离)结构形成保护环,有效地抑制了APD的边缘击穿;并且新增加一个深N阱结构,使载流子在扩散到衬底之前被大量吸收,屏蔽了衬底吸收载流子产生的噪声,用以提高器件的响应度。通过理论分析,确定本文所设计的CMOS-APD器件光窗口面积为10 μm×10 μm,并得到了器件其他的结构和工艺参数。仿真结果表明:APD工作在480 nm波长的光照时,量子效率达到最高90%以上。在加反向偏压-15 V时,雪崩增益为72,此时响应度可达到2.96 A/W,3 dB带宽为4.8 GHz。     

一种应用于可见光通信系统的高带宽CMOS APD

采用标准的0.18μmCMOS工艺,设计了一种新型的应用于可见光通信系统的雪崩光电二极管(APD).相较于传统的CMOS APD,该器件在深n阱/p衬底的结构基础上增加一层p阱,再在其上分别离子注入一层n+/p+层作为器件的雪崩击穿层,并且采用STI结构来防止器件边缘过早击穿.仿真结果表明,器件的雪崩击穿电压为9.9 V,暗电流为1×10-12 A,3 dB带宽为5.9 GHz,响应度为1.2 A/W.由于STI保护环和短接深n阱/p衬底的结构设计,器件暗电流较传统结构CMOS APD降低了 2个量级,且带宽提高了约10％.     

基于0.35μm CMOS工艺的APD器件仿真分析

提出了一种基于0.35μm CMOS工艺的、具有p+/n阱二极管结构的雪崩光电二极管(APD),器件引入了p阱保护环结构.采用silvaco软件对CMOS-APD器件的关键性能指标进行了仿真分析.仿真结果表明:p阱保护环的应用,明显降低了击穿电压下pn结边缘电场强度,避免了器件的提前击穿.CMOS APD器件的击穿电压为9.2V,工作电压下响应率为0.65 A/W,最大内部量子效率达到90％以上,响应速度能够达到6.3 GHz,在400～900 nm波长范围内,能够得到很大的响应度.     

新型有机电致蓝色磷光器件的研究

设计了一种Ge/Si波导集成型雪崩光电二极管(APD)。器件采用将Si波导层置于Ge吸收层之下的结构,光经波导层进入吸收层只需一次耦合,降低了光的损耗,提高了光的吸收率和光电流。采用silvaco软件对器件的结构和性能进行仿真,结果表明:器件的雪崩击穿电压为-28V,最大内量子效率达到89%,在1.15~1.60μm范围内具有较高响应度,峰值波长位于1.31μm,单位响应度最高达0.74A/W,3dB带宽为10GHz。 更多还原     

Ge/Si波导集成型APD器件的仿真分析

设计了一种Ge/Si波导集成型雪崩光电二极管(APD).器件采用将Si波导层置于Ge吸收层之下的结构,光经波导层进入吸收层只需一次耦合,降低了光的损耗,提高了光的吸收率和光电流.采用silvaco软件对器件的结构和性能进行仿真,结果表明:器件的雪崩击穿电压为-28 V,最大内量子效率达到89％,在1.15～1.60 μm范围内具有较高响应度,峰值波长位于1.31μm,单位响应度最高达0.74 A/W,3 dB带宽为10 GHz.     

InGaAs单光子雪崩焦平面研究进展（特邀）

雪崩光电二极管（APD）是一种高灵敏度光电器件。按照工作电压的不同可分为线性APD和盖革APD。其中,盖革APD的工作电压高于击穿电压,利用半导体材料内部载流子的高雪崩增益可实现单光子级信号探测,也被称为单光子雪崩光电二极管（SPAD）。InGaAs材料SPAD在0.9~1.7 μm光谱范围内有高量子效率,是1.06、1.55 μm主动激光探测的理想探测器。通过将高效率InGaAs SPAD阵列芯片与CMOS计时/计数读出电路芯片集成封装,制备的雪崩焦平面探测器可对光子信号进行时间量化,在三维激光雷达、远距离激光通信、稀疏光子探测等领域有广泛应用。介绍了InGaAs单光子雪崩焦平面的器件结构及基本原理,在此基础上回顾了国内外雪崩焦平面技术的研究进展,并对未来发展方向进行了展望。     

LPE制作平面型InGaAs/InP APD

叙述了用液相外延(LPE)制作 InGaAsP/InP 雪崩光电二极管(APD)的物理性能。分析了该器件的设计参数。介绍了器件结构、器件制作中 LPE 生长条件及器件性能。最后,评述了器件发展水平及改进意见。     

SiGe/Si单光子雪崩光电二极管仿真

通过理论模拟CMOS工艺兼容的SiGe/Si 单光子雪崩二极管,研究并讨论了掺杂条件对于电场分布、频宽特性、以及器件量子效率的影响。设计出具有浅结结构、可在盖革模式下工作、低击穿电压(30 V)的1.06 m单光子技术雪崩光电二极管。器件采用分离吸收倍增区结构,其中Si材料作为倍增区、SiGe材料作为吸收区,这充分利用了硅材料较高的载流子离化比差异,降低了器件噪声;在1.06 m波长下,SiGe探测器的量子效率为4.2%,相比于Si探测器的效率提高了4 倍。仿真表明优化掺杂条件可以优化电场分布,从而在APD击穿电压处获得更好的带宽特性。     

超晶格雪崩光电二极管的结构优化及性能研究

基于碰撞离化理论研究了异质材料超晶格结构对载流子离化率的作用,设计得到In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As超晶格结构的雪崩光电二极管。通过分析不同结构参数对器件性能的影响,得到了低隧道电流、高倍增因子的超晶格结构雪崩层,根据电场分布方程模拟了器件二维电场分布对电荷层厚度及掺杂的依赖关系,并优化了吸收层的结构参数。对优化得到的器件结构进行仿真并实际制作了探测器件,进行光电特性测试,与同结构普通雪崩光电二极管相比,超晶格雪崩光电二极管具有更强的光电流响应,在12.5~20 V的雪崩倍增区,超晶格雪崩光电二极管在具备高倍增因子的同时具有较低的暗电流,提高了器件的信噪比。     

Ge/Si SACM-APD器件分析

Ge/Si吸收区-电荷区-倍增区分离(SACM)结构的APD作为一种新型光电探测器已成为硅基APD器件研究的重点.对SACM Ge/Si型APD器件的基本结构及其主要特性参数,包括量子效率、响应度、暗电流等进行了理论分析及仿真验证.实验结果表明:在给定的器件参数条件下,所设计的APD器件的雪崩击穿电压为25.7 V,最大内部量子效率为91%,单位增益下响应度峰值为0.55 A/W,在750~1 500 nm范围内具有较高响应度,其峰值波长为1 050 nm;在高偏压以及高光照强度情况下,倍增区发生空间电荷效应从而导致增益降低.     

平面型InP/InGaAs雪崩光电二极管多级台阶结构研究

平面型雪崩光电二极管(APD)在结弯曲处具有更高的电场,易导致结边缘的提前击穿.运用FEMLAB软件对多级台阶结构的平面型InP/lnGaAs APD的电场分布进行了二维有限元模拟,在表面电荷密度为5×10~(11)cm~(-2)时分析了台阶级数、台阶高度等因素对边缘提前击穿特性的抑制程度.通过理论研究对平面InP/InGaAS APD进行了优化.

Abstract：

For planar-type avalanche photodiode (APD), it is hard to suppress edge pre-breakdown with double-stepped p-region profile. In order to suppress the edge pre-breakdown, amulti-stepped p-region is proposed and studied. A finite element two-dimensional (2-D) simulation is performed to study the electric field of planar-type APD with multi-stepped p-region. The effects of the step number and deep in suppressing the edge pre-breakdown are analyzed and the planar-type APD structure is optimized theoretically.     

基于硅雪崩光电二极管的双光子吸收实验

研究了硅雪崩光电二极管(APD)对光通信波段近红外光子在不同频率、强度,以及APD 不同偏压下的双光子吸收效应(TPA)。通过实验详细测量了光频率从186.3 THz 到196.1 THz 变化时APD的TPA 效率,结果表明:随着入射光频率的不断增加,TPA 效率呈现出先增大、后减小的规律,并且在190.5 THz 附近达到最优效率。此外,在实验中观察到,随着入射光强的增大,TPA 效率也呈现出先增大、后减小的现象(此实验中的峰值光强度约10 mW)。     

MBE生长的PIN结构碲镉汞红外雪崩光电二极管

对中波红外碲镉汞雪崩光电二极管(APD)特性进行理论计算,获得材料的能量散射因子及电离阈值能级与材料特性的相互关系,从而计算器件的理论雪崩增益与击穿电压.通过对材料特性(组分,外延厚度,掺杂浓度等)的优化,设计并生长了适合制备PIN结构红外雪崩光电二极管的碲镉汞材料,并进行了器件验证.结果显示,在10V反偏电压下,该器件电流增益可达335.     

雪崩光电探测器的击穿效应模型分析

基于CMOS工艺制备了空穴触发的Si基雪崩探测器(APD),基于不同工作温度下器件的击穿特性,建立空穴触发的雪崩器件的击穿效应模型。根据雪崩击穿模型和击穿电压测试结果,拟合曲线得到击穿电场与温度的关系参数(dE/dT),器件在250～320 K区间内,击穿电压与温度是正温度系数,器件发生雪崩击穿为主,dV/dT=23.3 mV/K,其值是由倍增区宽度以及载流子碰撞电离系数决定的。在50～140 K工作温度下,击穿电压是负温度系数,器件发生隧道击穿,dV/dT=-58.2 mV/K,其值主要受雪崩区电场的空间延伸和峰值电场两方面因素的影响。     

10Gbit/s InGaAs/InP雪崩光电二极管

基于InGaAs/InP吸收区、渐变区、电荷区和倍增区分离雪崩光电二极管(SAGCMAPD)器件结构,利用数值计算方法,模拟了各层参数对器件频率响应特性的影响.模拟结果表明,吸收层、倍增层厚度及电荷层面电荷密度可影响器件的-3 dB带宽;随增益的增加,器件带宽会逐渐降低;电荷层面电荷密度对器件击穿电压有明显影响.结合此模拟结果,制作出了高速InGaAs/InP雪崩光电二极管,并对器件进行了封装测试.测试结果表明,该结果与模拟结果相吻合.器件击穿电压为30 V;在倍增因子为1时,器件响应度大于0.8 A/W;在倍增因子为9时,器件暗电流小于10 nA,-3 dB带宽大于10 GHz,其性能满足10 Gbit/s光纤通信应用要求.     

机载脉冲式激光测距机接收电路的设计

采用硅雪崩管作为光电传感器,将光背景噪声或被测目标漫反射激光转变为微弱电压脉冲,经过两级低噪声可变增益放大器AD603放大后,信号变为幅度较大的电压脉冲,由可编程逻辑器件处理器在单位时间内收集脉冲个数,通过D/A转换电路驱动高压模块改变APD的偏压,最终设计出机载脉冲式激光测距机灵敏度高的闭环负反馈微弱激光接收电路     

Equivalent Circuit Modeling of Separate Absorption Grading Charge Multiplication Avalanche Photodiode

In this paper, a novel equivalent circuit model for the frequency performance of separate absorption grading charge multiplication (SAGCM) avalanche photodiode (APD) is developed. This model includes effects of carrier transit time, avalanche buildup time, and parasitic RC elements. Based on the equivalent circuit model, frequency and bandwidth characteristics of SAGCM APD can be simulated in advance to device fabrication, and the simulation results are in good agreement with experimental data. Conventional pin photodiodes can also be simulated as a special case when M=1. In addition, the frequency response of SAGCM APDs and pin photodiodes with different illumination directions are investigated.     

Time-domain simulation analysis of avalanche photodetectors

The avalanche photodiode (APD) avalanche multiplication impulse response is evaluated by solving the time-varying rate equations in the time domain. The device simulation allows the motion of the carriers under the influence of the active region's electric field. The inclusion of carder motion in the model replaces the undesired divergence terms which cause errors due to the numerical differentiation. An application is given to study the effect of the APD bias on the device multiplication impulse response and bandwidth.     

Numerical simulation of neutron radiation effects in avalanchephotodiodes

A new one-dimensional (1-D) device model developed for the simulation of neutron radiation effects in silicon avalanche photodiodes is described. The model uses a finite difference technique to solve the time-independent semiconductor equations across a user specified structure. The model includes impact ionization and illumination allowing accurate simulation with minimal assumptions. The effect of neutron radiation damage is incorporated via the introduction of deep acceptor levels subject to Shockley-Read-Hall statistics. Preliminary analysis of an EG&G reverse APD structure is compared with experimental data from a commercial EG&G C30719F APD