【摘 要】
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光探测器作为光通信系统中的关键器件,其高速性能的优化对整个光通信系统未来发展有着至关重要的作用。单行载流子光探测器（Uni-Traveling-Carrier Photodector,UTC-PD）中电子作为单行载流子进行输运,极大减少了载流子的渡越时间并有效抑制了空间电荷效应,是高速光电子器件领域的研究热点之一。本文从UTC光探测器的入射光束光场分布以及器件吸收层横向高斯掺杂入手,重点围绕光探测
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光探测器作为光通信系统中的关键器件,其高速性能的优化对整个光通信系统未来发展有着至关重要的作用。单行载流子光探测器（Uni-Traveling-Carrier Photodector,UTC-PD）中电子作为单行载流子进行输运,极大减少了载流子的渡越时间并有效抑制了空间电荷效应,是高速光电子器件领域的研究热点之一。本文从UTC光探测器的入射光束光场分布以及器件吸收层横向高斯掺杂入手,重点围绕光探测器的高速性能开展研究。主要研究内容与创新如下:1.研究了入射光束光场分布与UTC-PD高速性能的关系,研究中入光方式采取背入射,在偏压较低时,均匀光场入射光束下器件带宽较高,但随着偏压的增加,功率集中的准高斯入射光束使器件高速性能得到了明显提升。工作偏压为2V时,半径5μm的UTC-PD在准高斯入射光束下获得了 77.91GHz的3dB带宽,提升17.23%。2.光场分布对器件在背入光条件下高速性能的影响,主要分为两个方面:一是准高斯入射光束会造成吸收层载流子在径向方向的浓度存在差异,使吸收层中心区域的载流子存在向四周扩散运动的趋势,一定程度上减少了载流子的堆积;二是在准高斯入射光束下,电场值沿着径向逐渐增加,使吸收层中心区域载流子沿径向向四周做漂移运动;两种效果的叠加使吸收层中心区域的空间电荷效应得到缓解,提升了器件整体的高速性能。3.基于光场分布对UTC-PD高速性能的影响,提出一种新型UTC-PD结构,新结构的吸收层采用径向渐变高斯掺杂方案,可以调整吸收层的电场分布并缓解空间电荷效应,此外新型UTC-PD中异质界面电场分布有一定提升且器件整体电容明显下降。结合对新型UTC-PD崖层与收集层的优化,研究结果表明,在1V偏压下,半径5μm的新型UTC-PD结构在光强为4e5W/cm2时,获得了 88.84GHz的3dB带宽,而原UTC-PD结构带宽为62.81GHz,新结构3dB带宽提升了 41.44%。4.进行了背入光PIN光探测器工艺制备,并完成性能测试,对于直径50μm的PIN-PD,在3V偏压下和1550nm光入射波长下,3dB带宽为5.409GHz。
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