单载流子传输的渐变耦合脊波导InP双异质结光敏晶体管

宽带综合业务网和射频光通信系统RoF的发展对光探测器提出了高的要求。 HPT是不同于PIN和APD的新颖探测器,它用HBT的基区和集电区作为光吸收层产生光电流,同时依靠HBT的电流增益放大光电流。现有HPT多为单异质结垂直波导结构，在光吸收效率和工作速度的优化上存在矛盾。本项目提出的DHPT，首次采用双异质结代替单异质结，用重掺基区作为吸收层，实现单载流子的快速传输（UTC）；采用渐变耦合脊波导代替垂直波导，被探测光由侧边入射，光传输方向与载流子传输方向垂直，能分别优化光吸收效率和工作速度。我们将研究脊波导UTC-DHPT内部载流子的运动行为和光电流放大机制，设计器件的外延材料和波导结构，探索InP材料MOCVD外延生长技术和基于InP HBT的工艺制备技术，最终制备高速高响应度脊波导UTC-DHPT。这对光探测器满足光通信网络和RoF系统需求，促进OEIC单片集成技术的发展有实际意义。

宽带综合业务网和光载无线通信系统（Radio over Fiber，RoF）的发展对光接收机中光探测器提出了更高的要求。 异质结光敏晶体管探测器（HPT）是不同于PIN和APD的新颖探测器,它采用HBT的基区和集电区作为光吸收层产生光电流,同时依靠HBT的电流增益，在完成光的探测吸收的同时放大光电流。HPT自身能够为光电流提供较大增益，可以减少HBT放大器的使用，一方面可以简化光接收机的复杂度，另一方面也避免了APD光探测器引入的噪声。现有HPT多为单异质结垂直波导结构，异质结存在于基区/发射区结，在光吸收效率和工作速度的优化上存在矛盾。本项目提出的DHPT，首次采用双异质结代替单异质结，在基区/发射区结和基区/集电区结都采用了异质结结构，用重掺基区作为吸收层，与集电结的异质结构结合，实现了单载流子的快速传输（UTC）；采用渐变耦合脊波导代替垂直波导，被探测光由侧边入射，光传输方向与载流子传输方向垂直，能分别优化光吸收效率和工作速度。我们研究了脊波导UTC-DHPT内部载流子的运动行为和光电流放大机制，建立了UTC-DHPT的物理分析模型。结合半导体器件仿真软件Silvaco TCAD 和 Synopsy Sentaurus TCAD的模型建立及性能仿真，分析了器件的几何参数和材料参数对HPT器件性能的影响，设计了器件的外延材料和波导结构，完成了UTC-DHPT外延片的MOCVD生长，给出了InP基脊波导UTC-DHPT的工艺制备技术，最终分别制备出了三电极顶面入射垂直波导UTC-DHPT和两电极渐变耦合脊波导UTC-DHPT样品，并对渐变耦合脊波导UTC-DHPT的直流性能和光电响应进行了测试。测试数据表明我们制备的渐变耦合脊波导UTC-DHPT样品基本达到了预期的结果。该课题已完成的工作对展开UTC-DHPT光敏晶体管高频特性和光学增益特性的研究打下了坚实的基础，对进一步开展基于HPT光敏晶体管探测器的光学微波放大器，光学锁定和混频等模块的研究，满足高速大容量光通信网络和RoF系统需求，促进OEIC单片集成技术的发展有实际意义。