长波和甚长波及其双色InAs/GaSb二类超晶格红外探测器的研究进展

本文报道了基于InAs/GaSb二类超晶格实现长波、甚长波及窄带长波/甚长波双色红外探测器的研究,生长的材料具有极高的材料质量.长波探测器单管器件在77 K条件下50%截止波长为9.6μm,峰值响应为3.2 A/W,峰值量子效率为51.6%;甚长波红外探测器单管器件在77 K条件下50%截止波长为14.5μm,量子效率为14%,热噪声限制的探测率为4.3×109 cm Hz1/2 W-1.通过改变偏压极性实现双色探测的窄带型长波/甚长波InAs/GaSb二类超晶格红外探测器两端器件,偏压小于0 V时在长波区工作,偏压大于40 mV时,在甚长波区工作.具体来说,偏压为-0.1 V时,器件光响应50%截止波长为10μm;而偏压为40 mV时,器件光响应50%截止波长为16μm.对于长波光响应,δλ/λ为44%,对于甚长波响应,δλ/λ为46%.甚长波对长波的串音为9.9%,长波对甚长波的串音为11.8%.     

GeSn红外光探测器性能参数模拟研究

目的 研究通过调整Sn组分提高GeSn红外探测器的性能,为其进一步发展和实现在光纤通信中的应用提供科学依据和设计思路。方法 基于GeSn合金设计并优化了光探测器,以期获得高的响应度和宽的响应波段。经过Silvaco软件仿真,建立了Ge基波导型光探测器的初始模型,通过控制变量不断改变特征参数来优化器件,引入应变对材料进行能带改性。结果与结论通过改变GeSn合金中Sn的组分,GeSn红外光探测器的最大截止波长可达到2.25μm,同时理清了材料中的应变对探测器响应度、响应范围等性能的作用机制,获得了高响应度和响应范围的GeSn光电探测器件。     

高效二维光子晶体偏振光分束器的设计

基于光子晶体线缺陷波导在不同偏振模式下的色散特性差异,提出了一种偏振光分束器的设计方法,利用具有完全禁带的二维三角晶格光子晶体,通过增大线缺陷波导侧边空气柱的半径,得到仅能传输单一偏振模式的单模光波导,并结合微腔与波导间的共振耦合原理设计了一种高效的偏振分束器。用时域有限差分法模拟了偏振分束器的传输特性,结果表明,当归一化频率为0.3654的光入射时,偏振分束器能够高效率大角度分离TM和TE两种不同模式的偏振光,且TM模与TE模输出光的偏振消光比分别为28.9dB和32.7dB,器件尺寸为20.4μm×12.3μm,该设计在未来集成光回路中有着很大的应用潜力。     

Si基单片集成850nm光接收芯片研究

设计并制备了一种Si基单片集成850nm光接收芯片,包括"P+/N-EPI/BN+"结构的光电探测器(PD)、跨阻前置放大电路及其后续处理电路。分析了PD的结构,并对其光谱响应及频率响应进行模拟,在2.0V偏压下,PD在850nm的响应度为0.131A/W,截止频率为400 MHz。采用0.5μm BCD(bipolar、CMOS和DMOS)工艺流片,光接收芯片面积约为900μm×1 100μm。测试结果表明,PD暗电流为pA量级,响应度为0.12A/W。光接收芯片在155 Mb/s速率及误码率(BER)小于10-9情况下,灵敏度为-12.0dBm;在622 Mb/s速率及BER小于10-9情况下,灵敏度为-10.0dBm,并能得到清晰的眼图。将该光接收芯片封装后接入光接收模块,进行点对点光互联实验,获得很好的光信号通路。     

高性能金刚石辐射探测器的研制与测试

设计了长×宽×高为4.5 mm×4.5 mm×500μm的金刚石辐射探测器.通过在金刚石/Al面形成肖特基势垒优化探测器性能,对其电特性(暗电流、电荷收集率)和探测特性(能量分辨率)进行测试.结果表明,电荷收集率最优为96.9%;暗电流随外加偏压的增加而增加,在偏压100 V以内小于0.1 nA;能量分辨率在偏压为380 V时最优,为2.82%.金刚石/Al面形成的肖特基势垒不仅降低了暗电流,还使辐射探测器的能量分辨率有很大改善.     

MOVPE生长1.55μm InGaAsP材料和InGaAsP/InP量子阱

报导了LP-MOVPE InGaAsP/InP体材料和量子阱的生长.生长的与InP匹配的1.55μm波长的InGaAsP材料,在77K时光荧光半峰宽达18.7meV,InGaAsP/InP量子阱的半峰宽为18.0meV.     

高响应度的NMOS型栅体互连光电探测器

针对硅基光电探测响应度低的问题,设计了一款与标准CMOS工艺兼容的、可用于弱光探测的高响应度的NMOS型光电探测器(NMOS-PD).该探测器由栅体互连的NMOS管和T-well/N-well结光电二极管构成,利用光电二极管的光生伏特效应改变T阱电势,进而控制NMOS管的栅压和阈值电压,以此实现光信号的探测与倍增放大,故所设计光电探测器具有更高的光电流增益和更宽的动态范围.经理论模拟计算和优化设计,本文设计了总面积为20μm×20μm的NMOS-PD,选用整个T阱区作为光敏区域(16μm×16μm),以增加光的吸收量,所设计光电探测器经UMC 0.18μm CMOS工艺流片制备.测试结果表明,所设计探测器在400～700 nm波长范围内具有较好的响应度.采用630 nm LED作为光源,当输出光功率密度P_(opt)=5 mW/cm~2、漏源偏压V_(DS)=0.4 V时,NMOS-PD的响应度达到1 550 A/W,并实现了200 kHz的信号探测.尽管随着光强增大,光电探测器响应度逐渐降低,但整体上仍超过10~3A/W.与硅基CMOS工艺制备的传统光电探测器相比,所设计光电探测器结构不仅可在低压、低功耗下正常工作,且在弱光条件下具有极高的倍增放大能力,有望应用于弱光探测的图像传感领域.     

异质兼容集成半导体光电子器件与集成基元功能微结构体系

以纳米压印光栅制作为基础,研究了适应纳米压印工艺的对接生长材料结构及生长工艺,生长的材料均匀性好,适合后续器件工艺制作。通过理论设计及实验研究,优化了浅刻蚀有源波导及深刻蚀无源波导的变换结构,降低了器件的转换损耗及回波损耗。结合后续制作的器件,对接界面插入损耗可以小于1.5 d B。完成了多种多波长阵列DFB激光器及高性能DFB激光器的制作,包括16通道200 GHz,300 GHz间隔1550 nm波段阵列激光器,4通道20 nm间隔1310 nm波段阵列激光器,双八分之一相移激光器,非对称三相移激光器,变节距啁啾调制激光器等,广泛的验证了压印工艺的可靠性及适应性。研究了阵列器件的热调谐特性及热串扰特性,取得了器件热特性数据。为下一步编写阵列器件波长控制程序取得了实验数据。依据2012年度In P基AWG测试结果,对AWG的结构设计数据进行了修正并重新设计。修正设计后制作的通道波长间隔为1.56 nm,通道中心波长1549.7 nm,串扰小于1.5d B。完成了四通道阵列激光器与多模干涉结构合波器(MMI)的单片集成芯片的设计、制作与测试,针对集成芯片完成了器件的封装设计。由于集成芯片管脚非常多,直流偏置,微波信号,热调谐信号互相之间存在耦合,串扰,布线交叉等。为此采用了多层过渡板结构,有效的将各个管脚分开,降低电学串扰。搭建芯片测试平台系统。完成了多波长半导体微环激光器的的制备与测试,采用In P基多量子阱激光器外延材料结构,利用感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀技术和Si O2钝化工艺,研制了基于环形谐振腔的双波长半导体激光器样品,实现了激光光源的单片集成。改变激光器的注入电流,可调节峰值波长与波长间隔。对In P基长波长10 Gb/s单片集成OEIC光接收机进行了电路建模、共基极和共发射极OEIC集成电路设计、制备与测试,跨组放大器达到10 Gb/s传输速率,PIN探测器带宽实现7.8 GHz,OEIC器件传输速率达到4 Gb/s,眼图清晰。探索了Si基准单片光发射OEIC方案的可行性。该方案是在Si片衬底上湿法腐蚀出沟槽,并在沟槽里溅射金属层,将FP激光器芯片贴装在沟槽里,通过金属层将电极引出,与Si CMOS激光驱动电路实现准单片集成。     

非辐射复合对1.3μmInGaAsP/Inp激光器T_0的影响

分别用宽、窄脉冲电流激励1.3μm InGaAsP/InP激光器,测量了其特征温度T_0,得到了窄脉冲下T_0为178.9 K,宽脉冲下T_0为74.7 K,用电光延迟法测量了激光器阈值载流子寿命τ_(th)随温度的变化,讨论了引起高T_0的原因。     

表面等离子体狭缝波导上的石墨烯光电探测器

基于表面等离子体的硅基集成光电探测器因具有THz带宽潜力而受到广泛关注.本文基于简化的两步光刻工艺实现表面等离子体狭缝波导与石墨烯相结合的光电导探测器,直接采用对称的狭缝波导金属作为微波电极,理论计算3-dB带宽大于120 GHz,受限于测试设备,实际测试的带宽大于70 GHz,实验上实现了72 Gbit/s NRZ和64 Gbit/s PAM-4等高速信号的接收,误码率均低于15%的软判决前向纠错码门限.由于表面等离子体增强了光和石墨烯的相互作用,在吸收区长度不大于7μm和偏置电压0.4 V的条件下,探测器的响应度大于0.13 A/W.该探测器解决了目前表面等离子体探测器普遍存在工艺复杂、高速性能受限于吸收材料载流子动态特性的问题,具备超小尺寸、高速大带宽、工艺简单和与CMOS工艺兼容的特点,有望在高速光互连、太赫兹发射以及太赫兹通信中得到应用.     

光电集成加速度地震检波器及其信号处理系统

研制出光电集成加速度地震检波器及其数字信号处理系统。该检波器将光波导M-Z干涉仪、十字横梁硅质量块简谐振子、光波导偏振器单片集成在同一硅基底上,并与光源、光电探测器、信号处理电路混合集成。数字信号处理系统以TI公司的高性能数字信号处理（DSP）芯片为核心,辅以必要的电路,实现了对加速度信号的高精度检测和误差信号的补偿。完成了实验样机的研制,测试结果表明主要性能指标达到设计要求。     

基于SIMOX材料的可集成高压器件研究

通过增加一次高压注入, 对0.8μm SOI CMOS工艺平台进行智能电压扩展. 在SIMOX材料上设计并实现了兼容该工艺的横向高压器件, 实现了低压CMOS与高压LDMOS的单片集成. 在硅膜厚度为205nm、埋氧层厚度为375nm的SIMOX材料上, 研制出阈值电压、击穿电压分别为1.3V、38V的高压LDMOS. 此高低压兼容SOI技术可将高低压器件单片集成, 节约了芯片成本, 提高了可靠性.     

光电集成加速度地震检波器系统的研究

提出了一种基于M-Z光波导干涉型的新型光电集成加速度地震检波器,将光波导M-Z干涉仪、十字横梁硅质量块简谐振子、光波导偏振器单集成在同一硅基底上,该系统在GSl020组合振动测量仪(美国)上进行了测试,检测系统性能良好,能满足高精度、宽频带地震勘探要求.     

基于加载条形光波导结构的聚合物热光开关

为解决有机/ 无机杂化材料薄膜厚度较薄且难加工等问题, 设计并制作了一种基于加载条形光波导结构 的 MZI(Mach-Zehnder Interferometer)型快速、 低功耗热光开关器件。 聚合物材料具有较低的热导率和较大的热 光系数, 能有效降低器件的功耗, 以热导率相对较大的 SiO 2 的衬底作为下包层, 可有效加快器件响应时间。 采用热光系数较大的有机/ 无机杂化材料 DR1/ SiO 2 -TiO 2 作为波导芯层, 以聚甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸环 氧丙酯的共聚物(P(MMA-GMA): Poly-Methyl-Methacrylate-Glycicly-Methacrylate)作为加载条波导, 以聚甲基丙 烯酸甲酯(PMMA: Polymethyl Methacrylate)作为波导上包层, 设计了热光开关器件。 采用 COMSOL 软件模拟了 器件的光场和热场分布, 采用微加工工艺并结合光漂白技术进行了开关器件的制备。 并在 1 550 nm 工作波长 下测试开关器件的性能。 可在缩短器件响应时间的同时降低器件的功耗, 驱动功率为 9. 2 mW, 消光比为 21. 2 dB, 开关的上升、 下降时间分别为 152. 8 滋s 和 180. 0 滋s。     

高灵敏度宽禁带半导体紫外探测器

以碳化硅(SiC)和Ⅲ族氮化物为代表的宽禁带半导体是近年来国内外重点研究和发展的新型第三代半导体材料,具有禁带宽度大、导热性能好、电子饱和漂移速度高以及化学稳定性优等特点,用于工作于紫外波段的光探测器件具有显著的材料性能优势.宽禁带半导体紫外探测器的主要应用包括:国防预警、环境监测、化工和生化反应的光谱分析和过程检测、以及天文研究等.本文主要回顾近年来南京大学在此方面开展的一些代表工作,所涉及到的典型器件有:具有极低暗电流的AlGaN基日盲MSM紫外探测器、高量子效率AlGaN基日盲雪崩光电探测器、以及SiC基可见光盲紫外单光子探测器.     

一种含氟聚酰亚胺光波导材料的合成与表征

采用二胺单体FFDA与二酐单体6FDA在195℃下进行聚合反应,合成了一种含氟聚酰亚胺光波导材料.并通过核磁共振氢谱元素分析确定其分子结构,在此基础上对所得材料进行相应性能表征.表征结果显示,该材料具有良好的成膜性、光学透明性(95%以上)及热稳定性(玻璃化温度375℃),可以用于光波导器件的制作,是一种新型的光波导制作材料.     

一种具有0.5dB噪声系数的450～470MHz单片集成LNA

基于0.5μm赝配高电子迁移率晶体管(pHEMT)工艺,设计制造了一款工作于450~470MHz频段的单片集成低噪声放大器(LNA),该LNA采用阻容负反馈的方式实现输入阻抗匹配,减小了无源元件占有的芯片面积,达到了单片集成的目的,同时降低了使用成本.测试结果表明,该单片集成LNA具有40dB左右的增益和约0.5dB的噪声系数,其低噪声性能十分优秀,这得益于pHEMT管不引入高损耗的片上电感所带来的好处及其本身优异的低噪声特性.     

硅基PMMA/SiO2-ZrO2有机-无机复合光波导的制备研究

构建了一种硅基PMMA/SiO2-ZrO2有机-无机复合光波导结构,采用溶胶-凝胶法在硅基底上制备厚度约17μm的PMMA薄膜作为包层材料,在硅基PMMA上制备了具有紫外感光性的SiO2-ZrO2基有机-无机复合芯层薄膜.测得PMMA和SiO2-ZrO2基复合薄膜在光纤常用通讯窗口0.85,1.31,1.55μm波长附近的折射率差比δ分别为4.81%,4.55%,4.50%.利用芯层材料自身的感光性,结合紫外辐照技术,制备了硅基PMMA/SiO2-ZrO2基有机-无机复合光波导阵列图形,其最小宽度约25μm,厚度约5μm,图形规整、边缘清晰.通光实验表明该波导能够将波长1.53~1.55μm的光限制在波导内,实现光的传输和分束.     

GaN基MSM结构紫外光探测器

在蓝宝石(0001)衬底上采用低压金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法生长GaN外延层, 以此为材料, 制作了暗电流很小的金属-半导体-金属(MSM)结构紫外光探测器. 测量了该紫外光探测器的暗电流和360 nm波长光照下的光电流曲线、光响应曲线和响应度随偏压变化的曲线. 该紫外光探测器在5 V偏压时暗电流为1.03 nA, 在10 V偏压时暗电流为15.3 nA. 在15 V偏压下该紫外光探测器在366 nm波长处的响应度达到0.166 A/W, 在365 nm波长左右有陡峭的截止边. 从0~15 V, 该紫外光探测器在360 nm波长处的响应度随着偏压的增加而增大. 详细地分析了该紫外光探测器的暗电流、光电流、响应度随偏压变化的关系.     

不同电极材料MSM紫外探测器性能研究

金属-半导体-金属(MSM)紫外探测器件在航空航天、导弹追踪、紫外杀毒等方面有广泛的应用,而金属电极的选择对器件性能影响较大。在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜,然后制作不同电极(In-In,Ni-Ni,Ni-In)MSM紫外光电探测器。3种电极探测器测试结果显示In-In电极器件具有较大的暗电流,其5～10 V偏压下暗电流在10~(-8)A量级,而Ni-Ni电极器件的暗电流在10~(-9)A量级,这归结于Ni金属具有较高的功函数,与GaN接触时,在接触面形成较高的肖特基势垒,从而降低了暗电流。不对称电极(Ni-In)器件暗电流具有不对称性。3种器件的光电流变化规律基本一致,非对称电极器件光电流比对称电极器件的大,归因于两种金属电极功函数的差异,导致器件内部存在以1个与正向偏压方向一致的内建电场。