硅基光电探测器

《硅基光电探测器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《硅基光电探测器（39页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、L/O/G/O1硅基光电探测器硅基光电探测器ThemaGallery2硅基光电子学简介硅基光电子学简介 硅基探测器原理硅基探测器原理 08年新发现：硅基雪崩探测器年新发现：硅基雪崩探测器发展趋势发展趋势 硅基光电子学是近年来逐步发展起来的新兴交叉型学科，研究方向涉及硅基光放大器、硅基光开关，硅基耦合光栅和硅基生物传感器等方面。4123Contents3硅材料是地球上分布最广的元素之一，因价格低廉而成为现代微电子技术的基础材料。随着技术的发展，人类现在已经掌握了硅在微小尺度的加工工艺，单位面积内集成的硅电子元件也愈来愈多，其对信息的处理能力也愈来愈强。根据摩尔定律：单位面积处理器的晶体管数每两年

2、就会增长一倍。但高度的集成性却带来了技术的瓶颈，巨大的发热量导致芯片的信息处理能力降低直至丧失。为此，科学家们试图寻求新的途径解决。最具代表性，也是有潜力的方案是利用硅材料实现信息的处理。科学家们试图利用现有的，已经很成熟的硅加工技术在硅片上集成光学元器件及系统。只有在这方面获得成功，才有可能真正地形成“硅基光硅基光电子学电子学”。硅基光电子学硅基光电子学4硅基光探测器硅基光电子技术的主要研究成果硅基光电子技术的主要研究成果下面重点介绍这些研究成果的结构、性能和研究、发展趋势。高速率硅基光调制器硅基连续激光器5硅基连续激光器 受激喇曼辐射是一种非线性光学效应，它是指系统在吸收了泵浦光的一个光子

3、同时向外辐射能量更低的一个光子和声子。硅基连续激光器则是利用这一原理在硅基波导内实现连续受激喇曼光输出。 采用法布里一泊罗共振方案测得整个波导的线性光透射损失率仅为035dBcm一。当外加偏置电压到Pin二极管时，波导内就产生电场，该电场有助于移除双光子吸收形成的电子一空穴对。表征自由载体与波导内光模式作用时间的有效载体寿命随外加偏置电压增大而减小。当外加偏置电压为25V时，有效载体寿命从原来的数十纳秒减少到1纳秒左右。具备上述条件的波导非常有利于硅基激光的自激放大，从而形成激光连续的输出。6硅基连续激光器 经过实验测试，硅基连续激光器工作在单模模式下，激光线宽稳定在8MHz以内。长度为48c

4、m的波导导致的09GHz的模式间隔也未在法布里一泊罗干光谱分析仪的自由光谱程(8GHz)内出现。说明受激喇曼激光束的优良光学性质非常有利于信息的加载与传输。7硅基连续激光器英特尔公司的研究人员采用了一种被称作p-i-n二极管结构克服了技术上的瓶颈。该p-in二极管结构如图1所示。p-in二极管分列于波导两侧，成份主要是硼与磷，掺杂浓度控制在l1020cm。P区与n区的间隔为6m左右。为了在p-i-n两端施加偏置电压，P区与n区上附着了导电铝膜。采用法布里一泊罗共振方案测得整个波导的线性光透射损失率仅为035dBcm。当外加偏置电压到Pin二极管时，波导内就产生电场，该电场有助于移除双光子吸收形

5、成的电子一空穴对。表征自由载体与波导内光模式作用时间的有效载体寿命随外加偏置电压增大而减小。当外加偏置电压为25V时，有效载体寿命从原来的数十纳秒减少到1纳秒左右。具备上述条件的波导非常有利于硅基激光的自激放大，从而形成激光连续的输出。8高速率硅基光调制器 英特尔公司研究人员采用基于金属氧化物半导体(MOS)电容器的新型移相器植于钝化硅波导Mach-Zehnder(MZ)干涉仪结构。9高速率硅基光调制器 在电荷积累过程中，移相器n型区域为地，在P型区域加以正电压，电子和空穴因电压变化产生的电荷密度变化可以由下式表达： 根据KramersKronig分析的实验吸收谱，电子和空穴的电荷密度变化为：

6、折射系数变化造成移相器相位改变可由下式给出：10 实验结果证明移相器的固有带宽可达25GHz。同样，研究人员还检测了数字脉冲电压在MZ干涉仪的传送情况，并且观测到1GbitsI的数据传输率。 在波长155m时实现了25GHz调制带宽的硅基光强度调制器。光束耦合进入Mz干涉仪后平分进入干涉仪两臂。Mz干涉仪原理图如图2所示，MZ干涉仪两臂的移相器分别施加一定的电压对通过两臂光束速度进行调制，因此两束光速度不一致导致了相位的差别。由于两臂光束的相位差，合成光就被施加了强度调制。高速率硅基光调制器11硅基光探测器 硅探测器因其在可见光范围内(04000700pJn)具有良好的响应能力和量子效应而得以

7、广泛运用。然而，用于通信的半导体激光器波长大多集中在近红外的范围(通常为0850pm，13109m和1550m)。在此区域，硅探测器的效能很低。为提高硅探测器性能，一般的做法是掺入锗，从而减低能带以扩宽探测范围。 通常我们采用光束衰减到初始光强的36的距离定义吸收系数和贯入深度。当加入应变或者施加偏置电压时，有效能带会进一步压窄，因此吸收系数曲线会朝波长增加的方向变化。这一点对于探测1550m波长尤为重要。当施加合适的应变或者偏置电压后，纯锗便可作为探测该波长的材料。12硅基光探测器 为了不影响探测器的响应时间的情况下尽可能多吸收光，解决方案就是光从侧面入射到探测器表面。此时，探测器的尺度可以

8、从微米量级增加到毫米量级。 硅基波导上方是SiGe层。探测器采用量子阱作为吸收材料，阱的厚度在4nm，阱间距离在25nm量子阱建构在2.5m和4m的绝缘体硅基基片上，波导宽度在2.5pm到15pm之间变化。波导的刻蚀深度适合多模操作。在13191m波长条件下，探测器响应率达到01AW。通过增加量子阱个数和改变SiGe的布居，探测器响应率可进一步提高到05AW。该结构探测器优点在于应变材料内相应缺陷也减少，而由缺陷引起的暗电流也显著降低，探测器信噪比也大幅提高了。13实例：08年新发现硅基雪崩探测器硅基雪崩探测器硅基雪崩探测器 英特尔公司日前成功使用基于硅的雪崩光电探测器（A v a l a n

9、 c h ePhot odet ect or，APD），与目前市场上的同类器件相比可大幅度降低成本，并实现了超过传统材料的高性能。此次硅光电子学技术的突破可能会在将来为世界带来全新的数字设备。英特尔院士兼光电子学技术实验室总监Mario Paniccia博士表示，这项研究成果再次展示了硅可以用于制造超高性能的光电产品。除了光学通信，硅基雪崩光电探测器还可以应用于传感、成像、量子密码学或生物学等众多领域。14实例：08年新发现硅基雪崩探测器封装后的硅基雪崩光电探测器(中间右上方处为硅芯片)硅基雪崩光电探测器芯片(黄色圆环代表不同的测试探测器)15实例：08年新发现硅基雪崩探测器08年12月，美国

10、加州圣克拉拉 英特尔公司宣布其研究团队在硅光电子学领域取得了又一项重大的技术突破，成功使用基于硅的雪崩光电探测器（Silicon-based Avalanche Photodetector）实现了创世界纪录的高性能，与目前市场上的同类器件相比可大幅度降低成本并提高性能。这项研究成果已经发表于今天的自然光子学（Nature Photonics）杂志。 英特尔实现硅光电子学重大技术突破英特尔实现硅光电子学重大技术突破左图为当时的一篇报道16实例：08年新发现硅基雪崩探测器 看看Intel硅光子技术，我们这里谈到的硅光子技术只要是指芯片上数据通信技术，而其实硅光电技术离我们并不遥远，数码相机的CCD

11、/CMOS感光元件，太阳能电池，这都是硅光电技术的应用。从上图来看，与传统光通信类似分以下几个部分：光源、光波导、光调制、光探测、封装以及最后的大批量生产 。17实例：08年新发现硅基雪崩探测器 如左图所示，就是Intel不同的硅光电雪崩探测器，前面谈到的吸收区采用了“锗”，而倍增区使用了硅，从原理来看它为今后芯片级批量化生产打下了不错的基础。也许看过前面的介绍，大家会想到倍增区激发出的10-100倍的电子是随机产生事件会伴随有噪声，控制这个噪声与材料本身特性相关，而根据Intel研究，硅是最好的材料。18实例：08年新发现硅基雪崩探测器 从上图可以看到青色区域的一些III-V族雪崩探测器的性

12、能（是指以化学周期表中III-V族元素做倍增区的雪崩探测器），而上面最高的是这次硅基雪崩探测器的性能。 19实例：08年新发现硅基雪崩探测器 上图更是很好说明为什么硅基雪崩探测器取得了如此好的性能。首先纵坐标是增益的倍数，横坐标是信息带宽，可以清楚看到在以往传统的III-V族雪崩探测器上，在10GHz带宽时增益可以达到10倍，这也是它的最高值，随着带宽增加，它的倍数会很低。而硅基雪崩探测器，在10GHz时有30倍以上增益，在40G仍有10倍增益，保证了在10-40G整个带宽范围内平均优秀的的成绩。这也是增益带宽积340GHz的由来 。20实例：08年新发现硅基雪崩探测器 下面，介绍一下硅基雪崩

13、探测器的原理： 一个光子进入探测器，激发半导体部分产生一个电子空穴对。而“雪崩”光电探测器，是在原有的半导体中加入了“吸收层”（上图橙色部分），在倍增区施加电场，通过吸收层一个光子激发的一个电子来到倍增区，经过系列电离化后产生10-100倍的电子。 21实例：08年新发现硅基雪崩探测器 由图，雪崩探测器由于其特别的结构可以让它在光信号接收这一过程要么缩短传输距离N倍，要么节能N倍。22实例：08年新发现硅基雪崩探测器光通信原理图： 如图，在源端首先产生红外波段的激光束，然后经调制的过程把数据加入到光信号中再通过光导纤维实现传输；如果需要多频段信号，可通过复用器与不同波段的光信号进行融合。23实

14、例：08年新发现硅基雪崩探测器 接收端则是一个相反的过程， 首先用分离器把不同频段的光信号分开，等效于产生各自独立的数据流。然后光探测器将光信号吸收并转换成电信号输送到用户端。普通光电探测器效率较低，吸收一个光子只能释放一个电子；而雪崩式光电探测器在吸收层之下存在增倍层，通过对电子数量的增倍来放大信号，因此可有效节省信号发生器的功耗或延长传输距离。光通信原理图：24实例：08年新发现硅基雪崩探测器 英特尔光电子技术实验室高级研究员亢宜敏表示，防止暗电流的方法很多，可以通过材料的改进来实现；但材料的性能是有限的，当达到极限时，也可用比较特殊的设计和工艺，如通过优化热生光通信原理图，长流程参数来减

15、小其带来的影响。当锗在硅上生长时，就会因为二者晶格不匹配而带来应力和应变产生晶格错位，导致暗电流（在无光输入的环境下出现的电流），最终表现为附加噪声。锗（Ge ）的晶格常数比硅的晶格常数大4%，硅制程虽然有低成本的优势，但也有技术上的挑战，例如晶格错位产生的噪音25实例：08年新发现硅基雪崩探测器对于未来芯片来说，硅基雪崩探测器意义非常巨大。雪崩探测器与普通探测器相比，在信息量不变情况下，可以节能数十上百倍；同理如果同样功耗下，可以增加传输距离数十上百倍，这是为芯片设计性能、功耗与距离三大要素增加了灵活的调整砝码。26实例：08年新发现硅基雪崩探测器 英特尔这款雪崩光电探测器使用硅和CMOS工

16、艺实现了有史以来最高的340 GHz“增益-带宽积”。这为降低40Gpbs或更高数据传输速度的光学链路的成本开启了大门，同时也第一次证明了硅光电子元器件的性能可以超过现有的使用磷化铟（InP）等更昂贵传统材料制造的光电子元器件的性能。27实例：08年新发现硅基雪崩探测器 Intel表示，对于批量级生产目前还没有具体明确日程。正如以前我们知道硅调制器的突破一样，探测器、封装方面仍有很多地方需要改进和突破。 目前，光探测器的研究方向仍是进一步提高其速度。但我们认为，在传统半导体材料硅上实现了雪崩探测器是迈向大规模芯片级量产的第一步，也是最重要的一步。28硅基光电子学发展前景硅基光电子学发展前景表1

17、列出了近年来硅基光电子材料和器件的主要进展：29硅基光电子学发展前景硅基光电子学发展前景 至今的硅基材料发光的机理主要有：(1)硅基纳米结构发光；(2)在硅中掺人高浓度的稀土离子，形成局域化的杂质发光中心；(3)直接在硅基材料基片上生长直接带隙结构的Si化物新材料，如BFeSi ；(4)通过SiGeSi应变量子阱和超晶格进行材料改性；(5)利用Raman效应制成硅基Rarnan激光器；(6)将 一V族直接带隙材料键合在硅片上，形成能够高效率发光的硅基异质结构材料。应用需要硅基长波长探测器，为此成为研究热点。30硅基光电子学发展前景硅基光电子学发展前景图3示出我们研制的四种硅基长波长探测器：31

18、硅基光电子学发展前景硅基光电子学发展前景 在硅基无源器件方面研究者们主要开展光栅、光子晶体和微环谐振腔等方面的研究；在硅基有源器件方面主要开展有源增益材料方面的研究 。 光栅：光栅：采用单层非均匀光栅结构，设计了一种结构紧凑、高性能的偏振分束器。应用多层非均匀光栅结构，还设计了一种高性能的偏振无关反射镜。 光子晶体：光子晶体：把光子晶体波导的慢光特性和沟道波导的场增强效应相结合，提出了一种新型的啁啾光子晶体耦合波导，在硅基平台下增强低折射率材料和光作用的时间和强度，有效的解决了由于硅材料本身非线性系数低而导致的光信号调制能力低效率的难题。采用二维平面波展开方法，通过移动空气孔的相对位置，设计了

19、一个带宽大、色散低的光子晶体空气槽波导慢光结构，该结构理论上的归一化延时-带宽积是0.26。32硅基光电子学发展前景硅基光电子学发展前景 微环谐振腔：微环谐振腔：利用硅基波导会在端面形成反射这一特性，在硅基微环谐振腔中形成fano谐振，提高器件强度传感灵敏度，这一原理可推广到高速调制应用中。另外针对硅基微纳波导器件的热光系数高、性能易受温度影响的缺点，研究了基于耦合微环腔的谐振特性研究，实现了10度温度变化范围内的高灵敏强度传感。 有源器件：有源器件：采用铒硅酸盐化合物作为硅基光电子学的光源候选材料，研究了这种化合物结构与发光特性的关系；理论计算了这种化合物的光增益特性，发现通过优化铒离子浓度

20、比例可以获得10dB/mm以上的光增益，比已有的光波导放大器产品高两个数量级。33硅基光电子学发展前景硅基光电子学发展前景 由于硅大规模集成电路制备工艺极其成熟，硅基光电子集成的研究工作主要集中在四个方面：适于制作光电器件的硅基异质结构的外延生长和键合技术；硅基异质结构与量子结构的光发射和光探测；硅基光波导器件和光互连；硅基光电子器件同电子器件的集成。硅基光电子独特功能的运用将突破电子载体的局限性。Si基光电子集成具有十分诱人的前景。硅基光电子集成回路将电子器件(SiGe量子器件、HBT、CMOS、射频器件、隧道二极管等)、光电子器件(激光器、探测器、光开关、光调制器等)、光波导回路集成在同一

21、硅片或SOI片上，构成具有很多特殊光电性能的光电子集成电路，有可能实现光计算和人工智能。34硅基光电子学发展前景硅基光电子学发展前景Text in hereText in hereText in here 硅基连续激光器和高频率光调制器的研发成功以及硅锗光探测器的发展为硅基光电子注入了新的活力，成为硅基光电子发展史上的里程碑。以此为基础，我们将有能力在硅基上开发激光器、光放大器、波长转换器、光开关、耦合光栅和探测器等诸多实用性产品。硅基光电子单片集成片硅基光电子单片集成片硅基薄膜太阳能电池板硅基薄膜太阳能电池板35硅基光电子学发展前景硅基光电子学发展前景 由于硅基光电子以光作为信息传递的载体，

22、光子就成为硅基光电子的核心内容，就如同电子线路里电子的作用一般。无热效应无热效应频带宽频带宽转换效转换效率高率高兼具量子兼具量子效应效应ABCD 比较于电子，光子具备电子所不具备的优良性能。在未来的光通讯及计算机集成制造方面都有深远的应用前景。36硅基光电子学发展前景硅基光电子学发展前景 数字化的世界不是在扩张，而是在爆炸式的发展。目前的信息技术在容量和性能方面的发展至少受到三个方面的阻碍： 1) 1) 能量效率能量效率 2) 2) 带宽密度带宽密度 3) 3) 成本成本 到2018年，用来在互联网上传输信息的能量预计将超过发达国家生产的总电量的10%。并行计算是解决信息处理中能量效率问题的可

23、接受方案，但是带宽密度的瓶颈仍然广泛存在于从云网络到芯片间互连的整个互连结构中。因此，光通信通过增加人、地域、和系统间的相互连接和信息传输，将继续在促进社会发展中起到更为关键的作用。 37硅基光电子学发展前景硅基光电子学发展前景 硅基光电子学综合了CMOS集成制造、物理学、化学、生物学等多学科及技术，是一门具有广阔发展潜力的二十一世纪高新技术。其发展也必将带动其他生产领域走向更佳美好的明天。 硅基光电子学与光通信的结合，全球多媒体接入，无处不在的通信、计算和成像，实现“全球本土化”的“实时”传输，具有“时刻意识”、自我管理、自我恢复和最优能量效率结构的学习体系，及先进集成平台和大批量生产的开发。然而，随着“硅基光电子学”在实际应用方面的体现，它本身的可持续性、科学性以及今后20年的发展方向也被提到桌面上来。 38参考文献刘洋：硅基雪崩探测器加速未来计算和通信余金中：世界科技研究与发展，硅基光电子学研究进展与趋势戴逸松：微弱信号检测方法及仪器，北京：国防工业出版社，1994缪家鼎等编著：光电技术，杭州：浙江大学出版社L/O/G/O39Thank You!