超高速通信用雪崩光电二极管研究（可编辑）

超高速通信用雪崩光电二极管研究（可编辑） 超高速通信用雪崩光电二极管研究 中山大学 硕士学位论文 超高速通信用雪崩光电二极管的研究 姓名:吴家隐 :硕士 申请学位级别 专业:光学工程 指导教师:王钢 20100514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/ 和/等两种不同材料体系的雪崩光电二极管以及光电二极管的 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: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 :: : :. .. . , .? ?. ; :; ?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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 ,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。 导师签名: 学位论文作者签名:鎏臻德、 日期:刁。年‘月日 醐啪胪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:砷年月日中山大学硕士学位论文 第一章雪崩光电二极管的发展 .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,即到 波段。第一代系统使用为基础材料的半导体激光二极管作为光源,硅基光电 二极管和雪崩光电二极管 ,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,即 损耗更低,色散更小的第二窗口。、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,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./以上的光纤通信系统采用基的光电二极管和雪崩光电 二极管作为光电探测器。工作在的掺铒光纤放大器的出现使光纤传 输容量有突破性进展。 近年来,与波分复用技术已经在光纤通信系统大量使用。/ 光纤通信系统已经开始无法满足人们日益增长的需求。/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、光电二极管外,金属.半导体.金 属光电二极管.和单行载波光电二极管.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 /发展到/及/等。 材料也由 .通信用光电探测器的分类 常用的光电二极管是在材料的层和层间插入一个非掺杂或轻微掺杂 材料的本征层层。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。光电二极管用于接入网可以有效地降低成本,在 以太网无源光网络及千兆无源光网络中大量使用。光电二极管 的灵敏度比差几个,中继距离比短,需要的中继站数目多。 很好地解决了光电二极管的灵敏度低的问题。入射光到达的吸收层 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。 的内增益特性,使具有高灵敏度、低噪声和高倍增带宽积的优点。由于这些 优点,广泛应用在./及/长途光纤通信系统及无源光接入网的。 ?“ ..知‘珧?啊尊?细 ?攀 一棚山巾捌曲,叶 ??? “?碡 轴毒啊内?糟瓣 ’?.州 ?毋馥?嗣撩脚弦 ?【”? ???? ’茸哪 ?’?坩黻 ?啊出。胡脚?小瞄‘ ~,幽嘴 图四种常见通信用光电探测器光电二极管?雪崩光电二极管【】 光电二极管单行载波光电二极管【 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【。光极管具有较低的寄生电容,带 宽高至,制造工艺简单,且易于与集成。这些优点使光电二极管 比较难获得良好的肖特基接触。由于电极对 受得人们的关注。在上,. 中山大学硕士学位论文 入射光的阻挡作用,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。光电二极管的另一个缺点就是暗电流较大。这些因 素限制.在长波长光通信系统的应用。 .具有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【】。.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。 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/ 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。本文就等效电路模 型、性能的影响因素及基于的光通信接收机前端模块优化设计展开讨论。 .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结构,发展到 了、乃至结构。器件也由台型面向平面型发展。 早期的采用结构,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.利用碰撞电离 效应来产生内增益的功能受到噪声的限制。 】使用隧道效应不明显的宽带隙半导体材料如作为高电场倍增 区,以及作为相邻的吸收区,这有效地抑制了隧道效应,减少器件暗电流。‘在 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 的频率响应很差【】。为了解决这一 问题,..在吸收层与倍增层间加入缓冲层 ,或称 即传输层,即采用结构【】。结构通常采用用一或多几晶格匹配间接带隙 ..层作为缓冲层【】【。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,结构被广泛采用。 是使倍增区具有高.低掺杂浓度曲线分布【,,即包含了一个非意掺杂的倍增层和重 掺杂电荷层 ,或称为场控制层 。目前通常采用 结构【,将缓冲层和电荷层的优点结合在一起。 ,称呼不同,但实际都是结构。 有的文献【也用 来表示 超高速通信用雪崩光电二极管的研究 圆 圆 ‘ 图 结构示意图又可以分为台面和平面两种类型。台面型是在外延片上腐 蚀出有源区台面,再通过钝化层来保护器件表面。这种类型的制作工艺简单,是 早期制作的常用方法。相对于台面型,在型层扩散形成掩埋结的 暗电流小等优点。平面型主要面临的问题是结的 平面型具有可靠性高, 边缘击穿。型扩散区边缘具有曲线效应,电场相对结中心的有源区高。随着电压 的增大,结边缘会在结中心有源区尚未击穿前就已经击穿,这就是结的边缘 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【 、悬浮保护环】、电荷层边缘预腐蚀【、刻蚀扩散阱【】、 电荷层的选择性离子注入。 哟?螨蹦翁妇妇辨 躔雨? 掣洼嘲 玎簿罐 口皤口 豌跚 肿/??图.台面型和平面型雪崩光电二极管台面型平面型】 :堕丝曼 .一一一. 时 一 .。”“。童。../ ?\文坤 ? 牛干卜;一“?“。‘镰:‘ ???~ ~;: : ???自赢 舟 舭 ‘ 细出举融一 忡??州 ? ‘ 勰。拓 扭? 瑚翻, 和; . ‘~ 一’~ ’ 上 、 ,; 忡 一?由瞻 图.各种结构的平面型 侧向保护环【】悬浮保护环 电荷层边缘预腐蚀刻蚀扩散阱 将这些方法相结合,可以制作出性能更好的平面型。如文献四将腐蚀扩散阱 与双保护环两种方法相结合制作,结构见图。 图.双保护环与腐蚀扩散阱结合 超高速通信用雪?电极管的研究 .雪崩光电二极管的最新进展 随着光通信系统速率提高到/乃至,,传统的/主要面临 着两个因素的限制四: / 、传统的 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,就要使吸收层增厚。 要使光吸收达到%,就要使吸收层厚度达到 。而吸收层的增厚会 导致载流子渡越时间的增长,从而使低增益区的带宽减小。这种量子效率 与带宽的矛盾导致需要在其中作折衷。 、在高增益区,由于材料碰撞电离系数限制的限制,/ 增益带 宽积相对较低,并导致高过量噪声。 对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 .即 布里一珀罗腔的谐振腔增强型雪崩光电二极管 “。 将有源器件结构置入两个/波长薄膜堆栈构成的分布布拉格反射镜 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。 的制 作过程比较复杂,可重复性较差,这使的发展受到限制。 。 图. 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 ,‘”。光从侧面通过锥形耦合器,或者光匹配层,又或 者直接耦合到边缘,进入的吸收层,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,时间长,频率响应慢。但进光窗口小会导致封装难度加大,光线容 是侧面进光,不需要在电极上留进光 易因电极的阻挡而只有部分进入。 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/及更高速率光通信接收机的研究热 点。..的小组制作出带宽增益积为,量子效率为%,低增益时带 宽为的.波导雪崩光电二极管【。‘ 图. 的倍增区对性能,特别是增益、噪声和带宽增益。根据的局部 场雪崩理论【,引,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 和电子电离系数之比/。由局部模型得可,时具有较低噪声。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到低于微米数量级也能够得到低噪声、高带宽增益。 在倍增层比较厚时,弛豫空间 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 曲线明显随电场增加而变狭。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,的变化减少。很多材料制成的薄都有 噪声降低的特性,这些材料包括:,,.和等。 目前,低噪声研究的热点材料通常为、..及。 ..的截止波长约为. ,并且这种材料,能够得到的低噪声。 ..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..,这种也许会成为目前/的竞争者。 超高速通信用雪崩光电二极管的研究 在 的波段.利用材料优良的噪声特性可以制成窄带隙吸收区如加倍增区的结构】。这种办法很有吸引力,因为具有 很高的带宽增益,而且截止电压相对温度的变化率远小于 。/异质结 在增益时的暗电流为×/,口?,噪声水平比得上同异结 “.带宽为 。和材料晶格不匹配.因此不能在上直接 生长。英特尔公司在年月成功开发了在波长工作的正面进光的 平面型硅基 。这种以锗为吸收层,硅为倍增层的通过优化生长的 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【。/的印, 带宽增益积达,是目前工作在的中的最高纪录。其灵敏度在/ 工作条件下达到一,跟成熟的商用?族一样。这为以后通过工艺来 制造低成本,/以上工作速率的/提供了可能性。材料作为吸收层的 但这个问题可以通过采用侧面进光的波问题足它在波段以上时吸收率下降, 导结 构来解决。/可能会成为?族的有力竞争对手。 幽/中山大学硕士学位论文 .仙.是一种有希望代替的材料。与晶格匹配,可以在 衬底上生长。材料在到/的场强下,/值约等于.到.,这 比材料的/.到.要好。薄层也可以用于的倍增区。在. / 工作的台面结构 具有%的外量子效率, 的平均增益带宽,.的噪声系数,和的增益带宽积。也有几种平面型 工 已经研制成功。型扩散源与电子注入难以结合,故平面型/ 艺上更难制作。等研制出一种类平面型,结合多量子阱倍增层和注入保护 环的.姒 ,】。增益为时,该的暗电流为. ,外量子 效率为%,带宽增益为。这种遇到难以优化离子剂量、活化退火 和暗电流较高等技术难题【】。另外, 更容易制成掩埋结结构,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/ ”哪】,其横截面如图‰有源区是由通过窗口层扩散到吸收层。在 这种情况下,结和高场区位于扩散面下、型电荷层和薄非有意 年研制的】带宽增益为,在增 掺杂的倍增层之间。. 益为情况下过量噪声系数为.。在/下,其响应度为..。 。一瞒 ‰?归曝、、、\卜协 】 .无保护环的平面结构/ 图 薄倍增区结合新材料和适当地设计异质结控制碰撞电离可以进一步减 小器件噪声。在结构上,与多量子阱经常被错误地认为是多晶格相似。但 它们有本质上的不同,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。等【研制出倍增层为单阱或梯度式 的 以下称为 超高速通信用雪崩光电二极管的研究 / ,噪声.,且暗电流与同质结 可以比拟。 ,其横截面结构图如图‘絮带宽增益积达 等用长成相似的 。 / 图. 结构图【 增益与噪声系数关系【】 图 .../..鹌 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 .雪崩光电二极管的性能指标 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 雪崩光电二极管性能的主要指标有:响应度,暗电流 ,增益,过剩噪声 ,带宽,频率响应 。 ..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~,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: . 删一只一一础 是器件表面反射系数,是吸收层材料吸收系数,是光吸收长度。对于 波长为近红外光的吸收系数一般为。 量子效率也可以定义为: . 。?’ 卵,。:』丝 叼鲥而 ,是光生电流,尸是入射光功率,办是入射光子能量,是电子电荷。 响应度定义为光电流与光功率之比: . 孵,,:一:一/ ’ 尸 厅 . 从.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。对于工作在波长的长途光纤通信系统来说,前三个因素起到决定 作用。 如图.,相对于其它材料,对波长的吸收系数最大,约为.× ,因此常作于长途光通信系统光电探测器的吸收层。的吸收率在波长附近开 始急剧下降。超高速通信用雪崩光电二极管的研究 ??】\/管盘曙暑。州葛扫葺山“ 一.【高。一\口.:葛。。皇。霉的’蜀町 ?蕾川 图.波长与半导体材料吸收率数关系曲线图 在垂直进光的里,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。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【】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,而且作为增透膜的效 果要明显优于。 ..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 。台面型探测器在制作台面的工艺的刻蚀和腐蚀中, 探测器表面长一层帽层 会使、及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层以上要加上一层钝化层。目前作为钝 中山大学硕士学位论文 化层的材料有:】、【、聚酰亚胺】、】。但 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【】。因此膜的暗电流及可靠性比差。和膜相比, 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,膜作为增透膜效果比较好。聚酰亚胺及钝 化后的暗电流比小一个数量级【】,而且能够使台面的表面平坦化,方便之 后的蒸镀金属接触层等工艺,增加器件可靠性。如图?,用聚酰亚胺来作钝化和表面 平坦化,再用作增透膜,这样就可以将聚酰亚胺和的优点结合起来引。 图聚酰亚胺为钝化层,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,起作用的是结处产生的隧道电流和参与雪崩倍 增的产生复合电流。 ..增益 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,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和来表征。和分别定义为电 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,碰撞电离系数常用关系【】来计算:超高速通信用雪崩光电二极管的研究 表. 关系 掺杂浓度. . 场强/ .‘ ... . .×..×/ ..× /.× ... .× . .. / ..×/.× ... ./ .×..×/、 .. 非局部场模型中,和不仅跟电场强度有关,也跟载流子的历史和位置有关‘。 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, 包括和 的数值‘。 电子和空穴引起的增益可用下列等式计算: . 。?丽??高??一 一:一:一/,’ 晓, 雪崩光电二极管的电流增益用倍增因子来表征,其定义为: 蜂示一 :盈 . 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 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 ,增益曲线能够很容易地从实验曲线得出 丝竺二氅 : . 啪。懒。一黼 易?和钿分别是发生雪崩倍增后的光电流和暗电流,批细和啦枞分别是平 均增益光电流和平均暗电流。 ..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 度来 表征,即为带宽的噪声电流的方均根。 最常用的理论是由 在年提出的局部场理论【。 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。 的噪声功率谱密度为: 中山大学硕士学位论文 。脚 是器件和测试电路的阻抗,是平均雪崩增益,厶脚是平均增益光电流,是 电子电荷量。过剩噪声系数可以表示为 . 删黔枷叫一击 式中/。过剩噪声仅与平均增益和,即空穴和电子碰撞电离系数之比有关。 这表明,只有偏离,即和之间相差很大时,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的性能上,但不能用于薄倍增层 的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。 在实际器件中,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 。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。 ..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:、 电子和空穴的渡越时间;、时间常数;、带宽增益积。 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 中,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 和波导结构都是通过减少吸收层厚度来获得高带宽。 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。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: ,:丝 . 矽 式中为势垒电容, 为介电常数,为耗尽区面积,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: 协? 警超高速通信用雪崩光电二极管的研究 式中 是介质层的介电常数,是电极面积,是介质层的厚度。缩小耗尽区及电 极 面积,有助于减小常数,提高器件带宽。 对于,其增益带宽积 ,为【】: 。’ 钟钣埘去 表征电子和空 , 是增益,岛是带宽,.【是本征反应时司 增层所需要的平均时间【】。 穴离开倍 是雪崩建立时间 ,表示初级和二次载流子通过倍增层的总 时间【。 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.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【】: ? ?朋 ,其表达式为嗍: 是本征反应时间 . 朋:旦监 是表征电子和空穴 式中幻是个与肛/值有关的修正系数,值介于/到之间。 的表达式又可以为: 离开倍增层所需要的平均时间【”。在均匀电场假设下, . \二。 :?』一.??. ’ ,, 卢一 ? 式中和分别是电子和空穴的饱和速度。 在非均匀电场中, 的计算式是【,】: 一 一似‖坝‖例恤 铲击 式中是与及饱和速度有关的修正系数。 .器件结构 /内每层内 通常,的设计主要是确定每层浓度和厚度。 电场与位置的函数关系为【: 中山大学硕士学位论文:? 历:日一盟以一盟一吐 . :一. 一. 一一以一 . .一. :臣一. 一型竖吐一旦堕一以一以一吐 鳅加毛一器以一差以一寰畋一啬盔一器畋卅 形以以畋川。一嘉?以?畋 . 一 芷矿. ‘ ;图 结构和电场分布【引。为 式中, 分别为、、的相对 为真空介电常数, 、 、 介电常数,可取 ., ., .,为耗尽区长度。 超高速通信用雪崩光电二极管的研究 ..倍增层 弛豫空间 的影响不 倍增层对性能起到决定性影响。在薄倍增层, 能忽略。由于速度过冲,载流子在倍增层中的速度大于饱和速度,从而获得更 高的带宽。 图为不同倍增层下,电场强度与增益的关系。电场强度越大,载流子获得足够 发生 碰撞电离的能量的时间越快。但电场如果过大会导致隧道电流 。通常, 为了产生倍增,倍增层电场要大于. /,为了不产生显著隧道电流,要不大 于×/?。 ? 畏 . / 图.不同倍增层下,电场强度与增益的关系】。哳为倍增层厚度 不同倍增层的厚度决定了雪崩光电二极管的增益带宽积。在考虑弛豫空间后, 不同 材料倍增层厚度与增益带宽积的关系可表示为?】: . ?%一 式中为倍增层厚度,和的参数如表. 中山大学硕士学位论文 表增益带宽积与倍增层厚度关系的参数值【】参数 单位 .. .. / . . . . . . . . 根据式.及表.参数,计算得及材料的增益带宽积与倍增层厚度 的关系图如下: /、 工 、?, 疗 图 及材料的增益带宽积与倍增层厚度的关系图 ...电荷层 电荷层的掺杂浓度和厚度需要优化设计,以使倍增层的电场高,而吸收层的 电场较 低以防止隧道电流及中的碰撞电离。吸收层场强约为/时,会 发生明显的载流子碰撞电离效应【;吸收层发生隧道电流的场强阈值约为/。 根据公式,吸收层与倍增层间的电场差为: :?? . 根据式.,可以控制电荷层掺杂浓度及厚度,使电场从吸收层到倍增层迅速 超高速通信用雪崩光电二极管的研究 上升。 ..吸收层 吸收层需要考虑低电场以抑制隧道电流及碰撞电离,同时需要考虑吸收层厚 度对量 子效率及载流子渡越时间的影响。控制吸收层掺杂浓度和电荷层掺杂浓度,可以有效抑 制在吸收层中的隧道电流及对器件性能起负面影响的碰撞电离。通过制作波导结构或谐 振腔结构,可以有效地解决量子效率与载流子渡越时间的矛盾。中山大学硕士学位论文 第三章雪崩光电二极管等效电路模型 .光接收机 光接收机前端模块 .. 光纤通信系统中,光脉冲信号在光纤通道里经历了衰减和畸变,到达光接收机时已 经很微弱。光接收机的功能就是将这样的微弱光脉冲信号转变成电脉冲信号,进行放大、 均衡和定时再生,还原为与发射端一致的数字脉冲信号畔。 前置放大嚣: 主放大晷图.数字光接收机的系统框图畔 如图.所示,光接收机主要分光接收机前端、线性通道及时钟提取与数据再生三 部分。光接收机前端由光电探测器和前置放大器组成,是光接收机的核心,主要完成光 信号转化成电压信号的功能。光接收机的线性通道包括主放大器、均衡滤波器与自动增 益控制电路,主要完成电信号的放大功能。而时钟提取与数据再生部分实现数字信号的 还原。 基于的光接收机前端模块通常由和跨阻放大器通过同轴封装 封装、针双列直插式封装、蝶形封装等方式封装而成。针双列直插式封装体积比 较大,现在已经逐渐被尺寸小的同轴封装及蝶形封装等封装方式所取代。同轴封装的金 线和管壳会带来寄生参量,导致前端模块整体性能的降低。蝶形封装及由蝶形封装发展 而成的针表面贴装、带高频接头的蝶形封装等封装技术还需要考虑高频电路 板对输出信号的影响。因此,这类光接收机前端模块的设计涉及、、金线、管 就可以将这些因素结合起来,壳和高频电路板等因素的。建立等效电路模型, 在 超高速通信用雪崩光电二极管的研究 电路模拟软件中进行联合模拟,有利于器件的优化设计。 ..雪崩光电二极管等效电路模型的研究现状 雪崩光电二极管的模拟方法主要有:蒙特卡罗模拟【研】、商用软件模拟、等效电 路模型。蒙特卡罗模拟从物理底层上开始,追踪每个粒子的无规则运动,在统计大量粒 子的总体行为后得出器件性能。这种方法可以器件特性进行精确模拟,但计算量大。用 于模拟的商用软件主要包括半导体工艺模拟软件 】、、半导 体器件模拟软件 】及通用电磁场分析软件,等。这些商用软 件能够用于器件结构、工艺的模拟,但软件价格昂贵。等效电路模拟是将器件等 效为一定的电路模型,然后用电路软件对等效电路模型进行模拟。这种模拟 手段不仅可 以用于器件结构设计,也可以与后续的封装、模块电路设计相结合,计算量小,可用于 光电集成设计。 研究光电探测器等效电路的方法通常有三种,基于参数测量的小信号等效电路模 型和两种基于物理模型的等效电路模型建立方法。王钢等通过矢量网络分析仪测量 光电二极管的散射参数和反射参数等参数,再根据光电二极管的具体结 构和物理机制构造电路模型,使电路模型的参数与测量所得的参数一致,从而提出 波导光电二极管小信号等效电路模型,】。任晓敏等用遗传算法来对电路模型参数 进行优化,实现的、参数测量值和模拟值的拟合【’。但这种基于测试的方法 在中不适用。不同倍增因子下,测量得到的的参数也不同,这对应着多个 小信号等效电路模型,因此难以在雪崩光电二极管中应用。 基于物理模型的等效电路建立方法有两种研究路线:基于载流子速率方程的等效电 路模型和基于频率响应函数的等效电路模型。基于载流子速率方程的等效电路模型是从 载流子速率方程出发,通过载流子速率方程与电路方程的相似性,构造对应的等效电路。 陈维友、刘式墉在没有考虑载流子渡越时间的条件下,将载流子速率方程等效为电路方 程,模拟了.的直流特性和脉冲响应【.】。等由不同层的载流子速率方程 出发,构造等效电路,提出 的等效电路【。进一步的研究中,等用 分步的方法,把有源区电场的不均匀分布也考虑在的等效电路中引。 等提出一种考虑了载流子速度和倍增层的弛豫效应的 等效电路,并作了频 域和时域的特性模拟【。但这种从载流子速率方程出发的等效电路建立方法尚未有在 和中应用的报导。另一条技术路线是在理论上推导出的频率响 和.. 应函数,通过频率响应函数来构造等效电路。..、色 等率先将 的频率 等先后提出雪崩光电二极管的频域响应函数】。.. 】、 响应函数等效为电流源的增益,并用同样的方法实现 】的等中山大学硕士学位论文 效电路。麦宇翔等在考虑载流子渡越时间、雪崩建立时间和时间的基础上提出一种 的等效电路模型瞵引。这种基于频率响应函数的等效电路在数学软件中容 易计算,但用于电路模拟软件时就会遇到问题。的传输函数在数学形式上比较复杂, 在目前的电路软件上难以用电流源的增益实现,因此这种方法尚未能实现一个真正在电 子设计自动化软件中使用的等效电路模型。本论文以麦宇翔的频率响应模型为 基础,通过一系列的推导,将频率响应函数实现为由基本电路元件组成的等效电路模型。 这种方法同样可以用于..等人提出的 和 频率响应模型,完 成了从频率响应曲线到能在软件中使用的等效电路模型的转变。 .雪崩光电二极管等效电路的建立方法 ..雪崩光电二极管物理模型 、正向进光/ 频翠响匝模型 由麦宇翔的模型可得四,正面进光的/ 中载流子的频 域等式为: 疗’, ,??,.一,?警州?九‘一酬巾呒/%】哧瓦丽 一 ? ? :譬士【一州吨呒一如呒/,卜.?一徊呒~,】 ‘ ‘ 白 哪 鲫.? 士.【?呒/。.二僦,/。 : .【一五专汁巧而 只:婴一,缎,/..?.一州一扣型旦 砸一扣呒/一唰一呒】.币而 式中,?表示光生电子的数目,?表示光生空穴的数目。越表示二次光生电子 的数目,。?表示二次光生空穴的数目。表示电子电量,表示吸收层厚度,表 示缓冲层厚度,溉表示电荷层厚度,‰表示倍增层厚度,表示增益因子。%、分 别. 表示电子迁移率和空穴迁移率,代表吸收系数。岛为入射光功率,为普朗克 系数。为入射光频率,订为外量子效率。超高速通信用雪崩光电二极管的研 究 、背面进光/ 频域响应模型 由麦宇翔等推导正面进光雪崩光电二极管的方法,可以推出背面进光雪崩光 电二极 管的频域响应函数: 。 ’ 力,鲫.一,? ,? 尸警.石【五呒一一问呒/%】嘉一一问呒/~ . :./ 厅 .一 口 荆鲁芦等? ?只鲁酬一地九?哧一丽?鲫一,? .一卅如半.【一州一口呒一弘睨九】一 口 . 丝二 一弦。 鲁哧一五而.【?巾呒九’九‘ . 一州一,%/协而而 、正面进光/ 的频域响应模型 下面将等效电路模型应用于/ 材料体系。在/ 中,光 牛卒穴漂移到倍增层引起雪崩过程,这与/ 不同。 ?一 一一 一 图.正面进光/ 与背面进光/ 的比较 正面进光 背面进光/中山大学硕士学位论文 由图.可以看出,正面进光/ 的光生空穴分布与背面进光‘? /光生电子的分布一致,都是在靠近缓冲层的那侧分布比较密。正面 进光/ 光生空穴的运动轨迹也与背面进光/ 光生电子的 运动轨迹一致,都是从吸收层,经过缓冲层、电荷层,到达倍增层。因此,正面 进光 /光生空穴的频率响应函数与背面进光/光生电子的一 可以推导出正面进光/的频率响应函数为: 致。根据文献【】的推导方程, ?华?一一如呒/%】?一一扣%仉 . : ?./ 四。~国 ,, ?,警讹/?一再.一。 鲫口一.,? 巾半 ’,月 。一睨一弘睨/】,而瓦 只:墼士一士.【睨一弘睨/.一,呶,/.. .,? . /,百面而 、背面进光/ 频域响应模型 同理,背面进光/ 光生空穴的频率响应函数与背面进光 / 光生电子的频率响应函数一致,可推导出背面进光的频率响应函数 为: 舶:警南/,.【一?。/】?‘?一? ‘ ??? ?:三生圭【?呢一?/.一.;一?/.】 附鲫.? 。 鲫。一 ,. 【 如警哧赤.【蚓‘啊 九:【州?钞 . 丝二 。 ? 白 。一,? 。 . ,,, 一,峨/‘哧面丽.一一徊羔.一弘呢/一. . 丝 . 一, 对于不同进光方式和不同材料体系的,其正交频域响应函数均为: 何?:旦垃竺竺生竺竺塑?竺:墨竺塑』 一编 一一 . 存计入寄牛参量的影响后.的输出光电流为:超高速通信用雪崩光电二极管 的研究 篇圳?剐虬百鲁 式中表示吸收层、缓冲层、电荷层、倍增层厚度之和,即胪%戗乜。乜。. 寄生参量的传输函数,其表达式为: 日口细???。?二??? ,是的寄生电阻咫和负载电阻,之和,即:,尼十,。易包括电极和封装金 线的电感。是的寄生电容,其表达式为: 等 毒琵. 。, 其中,是厚度为,相对介电常数为 ,的层的电容,彳是有源区面积. ..雪崩光电二极管等效电路模型建立过程 根据信号与系统理论【】,对于线性时不变系统,输出信号等于输入信号和 系统单位冲激响应在时域内的卷积,或输入信号和系统单位冲激响应函数在频域的乘 积。在本论文中,将输入光功率町/,等效为输入信号,传输函数。佃等效为系 则输出电流即为输出信号。要建立的等效电路模型,统的单位脉冲响应函数, 就 要用具体的电路模块来实现日细日。佃。 在时域中,多个级联的系统的总频率响应等于这些系统单个频率响应的的卷积; 在频域中,多个级联的系统的整体单位冲激响应等于这些系统单个频率的乘积。根 据这一理论,可将删?分解为单独的子系统。这些子系统的系统框图如图.。 。在分解而成的子系统中,有五种典型的系统,这些系统与输入输出信号的关系分别 是: 甜?‘,加 厶埘???一?? ? 咖砂志 中山大学硕士学位论文 ? ” 卜 妨卜 埘 姒、 ‰ 脚 哆 厶功 赤二一 图.子系统框图 数。 式中为常 由基本电路理论可得,电路元件跟阻抗的关系如表.: .基本电路元件所对应阻抗 表 阻抗 电路元件 数值 电阻 电感 ./’ 电容 /? 由基本电路元件数学形式上与子系统的一致性可知,只要能将这五种典型系 统实现 为电路模块,就可以将频率响应的数学模型用电路模型来计算,从而实现等 效电路。超高速通信用雪崩光电二极管的研究 式.所示的系统表示输出电流为输入电流的倍的系统,可用增益为的电流控 制电流源来实现,见图.。 对式.进行反傅里叶变换,可以得到系统的时域表达式: 屯埘~讲?【.??一/国?】屯宰?屯一 从时域表达式可以看出,输出电流等于延时秒后的输入电流,故可用延时为 秒 的电流控制电流源来实现,见图.。 的 式.中的子系统可以用图所示的电路模块实现。输入电流通过 电容后,电容的电压为??/‘引。用一个电压控制电流源把电 容两端的电压转化为输出电流,。加。 式.中的子系统可以用图所示的电路模块实现。输入电流由电流源控 制电压源转化成电压,这个电压施加在一个由电阻和 电感上。再用一 即可得到输出电流 个电流控制电流源来将回路中的电流引出, 的电 ?。式?的另一种实现方法是输入电流经过由/ ?, 阻和 电容组成的并联电路后,由电压控制电流源引出输出电流。本论文 中主要使用电阻和电感串联的方法实现式.。 对式.可以进行这样的推导: ? 乙?/???? 由式.可得,可以将式.实现为和.相似的电路模块,不同之 处在于回路中的电阻值为屹。 蛭匿 匿 飞之 ?飞喘绀一 图.典型电路模块中山大学硕士学位论文 在实现典型系统的电路化后,还要对这些电路系统进行连接。根据信号与系 统理论 和基本电路理论,可以得出频率响应函数中算符所对应的连接法则: 乘法由电路模块串联实现。 加法由输出电流方向相同的两条电流支路并联实现。 减法由输出电流方向相反的两条电流支路并联实现。 通过这五种典型系统的电路实现方法和三条电路连接法则,在将整个频率响 应函数 电路化后,即可得到一种新的的等效电路模型,如图.所示。超高速通信用雪 崩光电二极管的研究 图 等效电路模型 中山大学硕士学位论文 .雪崩光电二极管等效电路模型的应用 表.模拟参数 . . . 工窖 帆 工 工 / / .× / % ×/ ×/ . / ’, /? /? .口 .×/ ×/ . ‘ 注除了在模拟在不同厚度吸收层的增益带宽积外,吸收层厚度等于 为了将等效电路模型与物理模型及实验结果【】进行比较,先在不考虑封装 电感的 情况下,对正面进光的进行模拟。模拟所使用的参数如表.。寄生电容和 电阻与文献【】一致,即 图为等效电路模拟、物理模型计 。 、. 算及实验结果三者的比较,从中可看出等效电路与其他结果非常吻合,证明了等效电路 模型的正确性。 ?工。一???? 图正面进光/ 等效电路模型与物理模型、实验数据的比较 下面使用等效电路模型来进行雪崩光电二极管特性的研究。不同吸收层厚度下 的增益带宽特性如图.所示。图中显示,在低增益区,的带宽随着吸收层厚度的 超高速通信用雪崩光电二极管的研究 增加而减小;在高增益区,不同吸收层厚度的带宽随着带宽的增加趋于一致。同 时,不同吸收层厚度的的增益带宽积在高增益区趋向于。这是因为在低增 益区,由于吸收层厚度不同,载流子渡越吸收层所需的时间不同。在增益不大,雪崩建 立时间并不大的情况下,载流子渡越时间跟时间对器件性能起主要作用。因此薄吸 收层的由于载流子渡越时间较短而获得更高的带宽。而在高增益区,雪崩建立时 间比较大,载流子渡越时间对器件影响越来越小,甚至可以忽略不计。这种情 况下,雪 崩建立时间对器件性能起到主要作用。对于同样倍增层厚度的器件具有相同的雪崩建立 时间,因此在高增益区里,器件带宽趋于一致,带宽增益积也趋于。 工。一一,,晒? 图.吸收层厚度对带宽的影响 的制作和封装过程中,电极、封装金线都会产生寄生电感,这些寄生参量与寄 生电容一起影响到的带宽。考虑了寄生电感的影响后,我们用等效电路模型对 进行了进一步的研究。时,在不同寄生电感影响下的频域响应如图 带宽增宽,并在时达到.的峰值。 所示。在寄生电感由增加到时, 进一步增加寄生电感会导致带宽减小,而且频域响应的峰值增大,峰值的位置向低频移 动。这一现象来源于寄生电容与寄生电感的谐振效应。电感从增至时,电容与电 感的谐振峰位于频域响应曲线的衰减处,因此起到把频域响应曲线抬高的作用。 同谐振峰对频域响应曲线的抬高作用在时达到顶点。继续增加电感,谐振峰 的位置往较低域的频域曲线较平坦区域移动,使频域曲线较低频区因谐振峰 的影响而抬升,而较高频区在谐振峰陡峭的下降沿的作用下被拉低。电容电感的谐振峰 也在随着电感的增加,其峰值也在增强,因此整体频域响应曲线的峰值也在增强。这一 现象也在实验中被发现【。 中山大学硕士学位论文 ,、 : 刁 、? , 图.寄生电感对雪崩光电二极管的影响 封装金线的对带宽补偿作用在光电二极管的封装得到证实【】。我们进一步 对由 进行模拟。 、跨阻放大器和高频电路组成的光接收机前端模块图. 图 高频电路板图【髂 负极用金线连接到的输入端。为了简化 的正极焊接在高频电路板焊盘, 的设计,我们根据文献【设计了一个提供差分电压输出的四端口等效模型来 代替复 杂的电路。等效模型的参数为:.,,,。 等效模型的理想增益为,在内的跨阻增益为 。的差分输 出电压与电流的关系如图.所示。在实际应用中,可用生产厂家提供的实际