摘要
随着5G、云计算、物联网等新型网络技术的兴起，全球信息技术产业不断扩展和升级，推动着光通信系统性能不断提升。光电探测器作为光通信系统中承担着光信号接收作用的核心元器件，也在随之不断发展。其中雪崩光电探测器(APD)由于灵敏度比普通PIN型器件高5～10dB，在高比特率、长距离的光纤通信系统被广泛使用。为了研制InGaAs/InAlAs和Ge/Si材料的高速高增益带宽积低噪声的近红外APD器件，本文完成了以下工作并取得了相应的成果: (1)构建了基于有限元分析和多物理场耦合的APD器件多性能仿真模型。以半导体基础方程为基础添加了光跃迁、阱辅助复合、碰撞电离和隧穿等模型后获得了APD器件的光暗电流和雪崩增益的仿真结果;在此基础上，通过添加载流子的迁移率模型，设置超短光脉冲信号激发，并与器件的等效电路模型联合仿真，获得了器件频率响应和3dB带宽仿真结果。实现了对APD器件重要性能参数的全面和准确的模拟。 (2)设计了基于分离的吸收层、过渡层、电荷层、倍增层、电荷层和渡越层(SAGCMCT)结构的台面型InGaAs/InAlAsAPD器件。与SAGCM结构相比，增加的n型电荷层和渡越层可以拓展器件耗尽区的宽度，减小器件结电容，提升了器件带宽;采用部分耗尽的吸收区结构，在增加吸收区厚度的情况下保证器件带宽不受影响并抑制了吸收区的空间电荷效应;倍增区采用0.12μm厚的InAlAs材料，使得器件增益带宽积可以超过200GHz，同时控制了器件在工作偏压下的隧穿暗电流。 (3)建立了用于分析APD器件带宽限制因素的等效电路模型。通过分析APD器件内部等效阻抗的来源，将器件内部不同区域的物理结构等效为对应的电路元件，从而建立了器件RC时间常数对应的电路模型。并建立了器件内部的载流子渡越和雪崩建立时间限制的时间响应对应的电路模型。将这两个模型结合后获得了APD器件完整的等效电路模型，实现了对APD器件S参数测量结果的准确分析，为器件性能优化提出最佳意见。 (4)制备获得了高速高增益带宽积低噪声的InGaAs/InAlAsAPD器件。直径14μm的器件最大带宽达到24GHz，5倍增益下器件3dB带宽仍可达到20GHz，增益带宽积为210GHz;并且利用0.12μm厚的InAlAs倍增层及复合钝化层技术，极大地减小了器件的暗电流，0.9倍击穿电压下暗电流仅6.7nA，显著提升了器件的灵敏度。25V时(M=10)器件响应度5.5A/W。此外噪声测试结果表明器件具有较小的过剩噪声因子，InAlAs倍增层的k值仅0.17，接近SiAPD。此InGaAs/InAlAsAPD器件性能已满足25Gb/s的高速、高灵敏度的光通讯接收机要求。 (5)设计了多种结构的基于SOI工艺的宽带低暗电流Ge/SiAPD器件。精确设计电荷层和器件结构，降低Ge吸收区的局部高场，大大降低器件的暗电流。同时针对普通SACM侧向波导结构Ge/SiAPD器件Ge吸收区内电场较小的问题，设计了一种采用N型Si阻挡层实现对本征Ge吸收区电场增强的器件结构，使得Ge吸收区电场在不同偏压下均有增强。设计的另一种吸收区下凹的结构，能使得高偏压下Ge吸收区内的电场增强。这两种设计可以有效提升器件的响应度和带宽。此外还通过对SACM垂直结构波导Ge/SiAPD多参数的仿真分析，设计获得了单位增益下最大3dB带宽可达到62GHz，10倍增益下器件带宽可达27GHz的性能优异的器件结构。 (6)制备获得了基于SOI常规工艺的吸收区电场增强的侧向结构Ge/SiAPD器件。测试获得器件的击穿电压约19.2V，0.9Vb下的暗电流约为0.1μA，是已知文献中Ge/SiAPD器件的最小值。击穿点附近的增益可以达到约30倍，14倍增益时带宽达到最大的16.2GHz，28倍增益时带宽为13GHz，器件最大增益带宽积达到364GHz。
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