目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 半導(dǎo)體光電器件發(fā)展概述 1
1.2 半導(dǎo)體光探測器的研究現(xiàn)狀 1
1.3 高速、高量子效率光探測器 2
1.3.1 PIN 光探測器 3
1.3.2 單行載流子光探測器 4
1.3.3 其他高性能光探測器 5
參考文獻(xiàn) 10
第2章 半導(dǎo)體光電器件基礎(chǔ) 13
2.1 半導(dǎo)體物理基本知識 13
2.1.1 基本晶體結(jié)構(gòu) 14
2.1.2 半導(dǎo)體中的能級躍遷 16
2.2 半導(dǎo)體 PN 結(jié)的形成 18
2.2.1 半導(dǎo)體中的載流子 18
2.2.2 半導(dǎo)體的 PN 結(jié) 18
2.2.3 載流子的定向移動 20
2.3 光電集成技術(shù) 21
參考文獻(xiàn) 22
第3章 微納結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光探測器的研究方法及分類 24
3.1 光探測器的工作原理與性能指標(biāo) 24
3.1.1 光探測器的工作原理 24
3.1.2 量子效率與響應(yīng)度 26
3.1.3 頻率響應(yīng)與 3dB 帶寬 26
3.1.4 噪聲 30
3.1.5 飽和特性 32
3.2 設(shè)計分析方法 35
3.2.1 麥克斯韋方程組 36
3.2.2 泊松方程 38
3.2.3 載流子輸運(yùn)方程 39
3.2.4 連續(xù)性方程 39
3.3 主要物理模型 40
3.3.1 載流子統(tǒng)計模型 40
3.3.2 載流子遷移模型 41
3.3.3 載流子復(fù)合模型 42
3.4 同質(zhì)集成的微納結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光探測器 44
3.4.1 一鏡斜置三鏡腔型光探測器 44
3.4.2 四鏡三腔型光探測器 45
3.4.3 蘑菇型光探測器 49
3.4.4 金字塔型光探測器 51
3.4.5 微環(huán)結(jié)構(gòu)光探測器 56
3.5 異質(zhì)集成的微納結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光探測器 58
3.5.1 透鏡集成光探測器 58
3.5.2 集成亞波長光柵光探測器 63
3.5.3 集成分束器的光探測器陣列 64
3.5.4 等離子體光探測器 66
3.5.5 MSM 光探測器 68
參考文獻(xiàn) 69
第4章 微納結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光探測器的仿真分析 74
4.1 入射光場分布對光探測器性能的影響 74
4.1.1 入射光場分布對 PIN 光探測器的影響 76
4.1.2 入射光場分布對 UTC 光探測器的影響 81
4.1.3 入射光場分布對微納結(jié)構(gòu)光探測器的影響 84
4.2 基于亞波長光柵的 RCE 微納結(jié)構(gòu)光探測器 85
4.2.1 亞波長光柵的理論方法 85
4.2.2 RCE 光探測器的性能分析 94
4.2.3 周期型 HCSG-RCE 光探測器的設(shè)計與仿真 99
4.2.4 非周期型 HCSG-RCE 光探測器的設(shè)計與仿真 104
4.2.5 HCSG-RCE 光探測器的設(shè)計與仿真 112
4.3 V-型槽微納結(jié)構(gòu) PIN 光探測器 116
4.3.1 V-型槽對入射光場影響的分析 117
4.3.2 V-型槽對量子效率影響的分析 120
4.3.3 V-型槽對頻率響應(yīng)影響的分析 123
4.3.4 “方向盤” 型電極的仿真分析 125
參考文獻(xiàn) 132
第5章 微納結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光探測器制備工藝與測試 135
5.1 薄膜制備工藝及質(zhì)量表征 135
5.1.1 外延技術(shù) 135
5.1.2 外延片質(zhì)量表征及檢測 136
5.2 微納結(jié)構(gòu)光探測器制備的關(guān)鍵技術(shù)步驟 138
5.2.1 光刻技術(shù) 138
5.2.2 刻蝕技術(shù) 139
5.2.3 鍍電極技術(shù) 141
5.3 基于倒錐及 V-型槽結(jié)構(gòu) PIN 光探測器的制備 141
5.3.1 器件的結(jié)構(gòu)及分析 141
5.3.2 器件的外延生長與制備 143
5.3.3 器件的測試與分析 148
5.4 基于錐形吸收腔微納結(jié)構(gòu)光探測器的制備 150
5.4.1 器件的結(jié)構(gòu)及分析 150
5.4.2 器件的外延生長與制備 151
5.4.3 器件的測試與分析 152
5.5 基于 SOI 同心環(huán)光柵的蘑菇型臺面 PIN 光探測器的制備 153
5.5.1 器件的結(jié)構(gòu)及分析 153
5.5.2 器件的外延生長與制備 154
5.5.3 器件的測試與分析 155
5.6 周期 HCSG-RCE 光探測器 156
5.6.1 器件的結(jié)構(gòu)及分析 156
5.6.2 器件的外延生長與制備 157
5.6.3 器件的測試與分析 160
5.6.4 小結(jié) 161
參考文獻(xiàn) 161
第6章 微納結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光探測器的應(yīng)用 163
6.1 現(xiàn)代高速光通信系統(tǒng) 163
6.1.1 波分復(fù)用光接入網(wǎng)系統(tǒng) 163
6.1.2 相干檢測主干傳輸網(wǎng)系統(tǒng) 165
6.1.3 數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)系統(tǒng) 168
6.1.4 寬帶射頻信號光傳輸系統(tǒng) 169
6.2 可重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò) 171
6.2.1 基于波長阻斷器的 ROADM 171
6.2.2 基于平面光波導(dǎo)的 ROADM 172
6.2.3 基于波長選擇器的 ROADM 173
6.3 6G 光通信網(wǎng)絡(luò) 174
6.3.1 THz 技術(shù)中的半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)光探測器 174
6.3.2 AI“智慧傳輸” 與半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)光探測器 178
6.4 綠色光網(wǎng)絡(luò) 179
參考文獻(xiàn) 180
第7章 微納結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光探測器的發(fā)展趨勢 186
7.1 微納結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光探測器的新結(jié)構(gòu) 186
7.1.1 超高帶寬光探測器 186
7.1.2 可穿戴柔性光探測器 187
7.1.3 超透鏡陣列光探測器 189
7.2 微納結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光探測器的新材料 190
7.2.1 黑硅光探測器 190
7.2.2 石墨烯光探測器 192
7.2.3 高維超表面集成光探測器及陣列 193
7.3 微納結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光探測器的新技術(shù) 196
7.3.1 基于逆向設(shè)計的半導(dǎo)體光探測器 196
7.3.2 基于光子捕獲結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光探測器 198
7.3.3 基于超表面集成的半導(dǎo)體光探測器 199
7.3.4 基于表面等離激元的半導(dǎo)體光探測器 201
參考文獻(xiàn) 202