雪崩光电二极管的性能测试与仿真优化设计

作     者：李媛 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵彦立

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：雪崩光电二极管 器件仿真 优化设计 暗电流 过剩噪声 

摘      要：雪崩光电二极管(APD)作为光探测器是光通信系统中的关键器件,与传统的PIN探测器相比,具有内部增益的APD可提供更高的灵敏度,因而一直受到广泛的关注。随着材料生长技术和半导体工艺的不断发展,为了调控优化器件内部电场分布从而优化器件性能,APD的结构也经历了许多变化,其中具有分立吸收层、渐变层、电荷层和倍增层(SAGCM)结构的APD在增益带宽积和过剩噪声性能方面具有明显优势。SAGCM InGaAs/InP APD是现代光通信系统中接收模块中的重要器件,具有内部增益和高灵敏度的良好特性,而器件的性能受结构参数的影响较大。暗电流和过剩噪声是制约APD性能的重要参数,要想提高APD的性能就必须优化器件设计以降低器件的暗电流和噪声,提高信噪比。本文主要采用实验与理论仿真相结合的方法,研究分析了SAGCM InP/InGaAs APD的结构参数对其性能的影响,并提出了降低暗电流和过剩噪声的优化设计。具体内容包括:(1)对APD的基本性能参数进行了测试与分析,包括I-V特性、噪声特性、带宽特性。首先测试了器件的I-V特性,并由此获得器件的增益特性,以及特征电压参数,并进一步测试分析了入射光强度和波长对器件光响应性能的影响。然后测试分析了器件的噪声特性,采用噪声分析仪测量。与已经报道的测试方法相比,本文额外考虑了激光器引入的相对强度噪声的影响。另外,还测试了器件在不同增益条件下的带宽性能,并分析了各增益条件下带宽的限制因素。(2)基于器件仿真器Silvaco,建立了SAGCM InGaAs/InP APD的仿真模型,得到的I-V特性曲线与测试结果拟合良好。根据仿真结果,提取得到了暗电流成分随偏压变化的特性,在已有的工作基础上,本文进一步研究了APD的结构参数对器件特征电压、暗电流及其成分的影响。通过分析仿真结果,得到了不同倍增层厚度对应的最佳电荷层电荷密度的范围。(3)提出了一种基于III-V族材料的三电极APD结构,引入横、纵两个方向的电场,理论上可以获得高增益低噪声的特性,结构设计完成后,并通过仿真计算对该新结构进行了分析与论证。