【摘 要】
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光电探测器是应用于空间光通信领域的关键器件,随着该领域中集成光电子技术的急速发展,迫切要求探测器具备高速率与大光敏面的特性。单载流子光电探测器（Uni-Traveling-Carrier Photodetector,UTC-PD）利用高速运动的电子作为活跃的载流子,在内建电场的作用下,拥有高速响应特性。此外,该探测器有效克服了空间电荷效应带来的影响,利于实现大光敏面的特性。在实际应用中,UTC-P
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光电探测器是应用于空间光通信领域的关键器件,随着该领域中集成光电子技术的急速发展,迫切要求探测器具备高速率与大光敏面的特性。单载流子光电探测器（Uni-Traveling-Carrier Photodetector,UTC-PD）利用高速运动的电子作为活跃的载流子,在内建电场的作用下,拥有高速响应特性。此外,该探测器有效克服了空间电荷效应带来的影响,利于实现大光敏面的特性。在实际应用中,UTC-PD拥有很大的优势。基于UTC-PD的工作原理,推导探测器的输出响应并对输出响应的影响因素进行详细的理论分析。通过仿真分析不同的探测器结构,并对它们的高速率大光敏面特性进行研究。本文的具体的研究内容如下:1.分析探测器的特性参数,确定3 d B带宽的主要影响因素,包括载流子渡越时间与结电容;通过交流小信号分析方法推导UTC-PD的输出响应,利用仿真工具MATLAB对输出响应进行定量分析,具体研究电势梯度Δφ、吸收层厚度WA和收集层厚度Wc对输出响应的影响。研究结果表明:内建电场可以促进电子运动,降低载流子渡越时间。外延层的尺寸会影响载流子渡越时间和结电容,进而影响输出响应。2.利用商用Silvaco的ATLAS仿真UTC-PD结构。改进电极结构,转移光生率的峰值区域,增大吸收层的电场强度,极大地提升了探测器的响应能力;优化外延层的尺寸、掺杂及材料组分的设计方案,并从微观角度研究了不同改进措施对器件性能的影响。研究结果表明:降低载流子渡越时间及结电容可以有效地提升响应性能。在1550 nm的入射光照射下,考虑了65Ω阻抗和10 f F电容的影响,具有光敏面直径为10μm的探测器,其3 d B带宽超过120 GHz;与前人的成果进行探测器性能的对比分析,结果表明:本文的结构在同时实现高速与大光敏面特性方面具备一定的优势。分析了探测器在直流工作条件下的特性参数,并做出总结。3.改变光敏面直径,研究该变化对UTC-PD响应性能的影响。结果表明:增加光敏面的直径时,在一定范围内降低吸收层的厚度可以有效提升3 d B带宽。当光敏面直径为10.25μm,吸收层厚度在190μm时,可以得到最大的带宽,最大值为110.64 GHz;仿真了三种并联形式的UTC-PD,通过结构设计与特性分析,逐步提升探测器性能。最终,探测器的光敏面积分别达到238.76μm~2、254.40μm~2和219.90μm~2,3 d B带宽均超过45 GHz;对比了不同探测器结构在直流工作条件下的特性参数,并做出总结。
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