Квантовая эффективность резонансного InGaAs/GaAs фотодетектора для сверхкоротких оптических соединений
Проводится теоретическое исследование квантовой эффективности резонансного p-i-n фотодетектора на основе InGaAs/GaAs
 для сверхкоротких оптических соединений. Рассчитана квантовая эффективность для условий резонанса. Математическая модель включает физические параметры фотодетектора и учитыва...
Saved in:
| Date: | 2007 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2007
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10802 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Квантовая эффективность резонансного InGaAs/GaAs фотодетектора для сверхкоротких оптических соединений / С.В. Грищенко, А.А. Демин, В.В. Лысак, С.И. Петров // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, № 2. — С. 401-407. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860065328027926528 |
|---|---|
| author | Грищенко, С.В. Демин, А.А. Лысак, В.В. Петров, С.И. |
| author_facet | Грищенко, С.В. Демин, А.А. Лысак, В.В. Петров, С.И. |
| citation_txt | Квантовая эффективность резонансного InGaAs/GaAs фотодетектора для сверхкоротких оптических соединений / С.В. Грищенко, А.А. Демин, В.В. Лысак, С.И. Петров // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, № 2. — С. 401-407. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Проводится теоретическое исследование квантовой эффективности резонансного p-i-n фотодетектора на основе InGaAs/GaAs
для сверхкоротких оптических соединений. Рассчитана квантовая эффективность для условий резонанса. Математическая модель включает физические параметры фотодетектора и учитывает длину волны излучения, отражательную способность зеркал и оптическое поглощение во всех слоях детектора. Были получены зависимости квантовой эффективности от коэффициента отражения верхнего зеркала
резонатора на основе Al0,65Ga0,35As/GaAs при различных других параметрах структуры. Найдены значения коэффициента отражения
верхнего зеркала в зависимости от физических параметров структуры.
Проводиться теоретичне дослідження квантової єфективності резонансного p-і-n фотодетектора на основі InGaAs/GaAs для надшвидких оптичних з’еднань. Розрахована квантова ефективність для умов резонансу. Математична модель включає до себе фізичні параметри фотодетектора та враховує довжину хвілі випромінювання, відбивну спроможність дзеркал та оптичне поглинання в усіх шарах детектора. Були отримани залежності квантової ефективності від коєфіціента відбивання верхнього дзеркала резонатора на основі Al0,65Ga0,35As/GaAs при різних інших параметрах структури. Знайдено значення коєфіциента відбивання верхнього дзеркала в залежності від фізичних параметрів структури.
We present a theoretical analysis on the quantum efficiency of a resonant cavity enhanced (RCE) InGaAs/GaAs p-i-n detector for the ultrashort optical connections. The quantum efficiency (QE) under resonant condition has been calculated. The math model includes physical parameters of photodetector and takes into account wave-length, reflecting availability of mirrors and optical absorption in all photodetector layers. QE dependence from the top mirror reflectivity coefficient based on Al0,65Ga0,35As/GaAs was obtained. Magnitude of reflectivity coefficient of the top mirror in dependence of different physical parameters was found.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:07:08Z |
| format | Article |
| fulltext |
__________
ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 12, № 2, 2007, с. 401-407 © ИРЭ НАН Украины, 2007
УДК 621.383.52
КВАНТОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗОНАНСНОГО InGaAs/GaAs ФОТОДЕТЕКТОРА
ДЛЯ СВЕРХКОРОТКИХ ОПТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
С. В. Грищенко, А. А. Демин, В. В. Лысак, С. И. Петров
Харьковский национальный университет радиоэлектроники,
пр. Ленина 14, Харьков, 61166, Украина
E-mail: s_gryshchenko@kture.kharkov.ua
Проводится теоретическое исследование квантовой эффективности резонансного p-i-n фотодетектора на основе InGaAs/GaAs
для сверхкоротких оптических соединений. Рассчитана квантовая эффективность для условий резонанса. Математическая модель вклю-
чает физические параметры фотодетектора и учитывает длину волны излучения, отражательную способность зеркал и оптическое по-
глощение во всех слоях детектора. Были получены зависимости квантовой эффективности от коэффициента отражения верхнего зеркала
резонатора на основе Al0,65Ga0,35As/GaAs при различных других параметрах структуры. Найдены значения коэффициента отражения
верхнего зеркала в зависимости от физических параметров структуры. Ил. 8. Табл. 1. Библиогр.: 15 назв.
Ключевые слова: квантовая эффективность, резонансный фотодетектор, распределенный брегговский отражатель.
Быстрый рост компьютерных технологий
предъявляет новые требования к высокоскорост-
ным системам связи и в том числе сверхкоротким
соединениям. Прототипы современных компьюте-
ров используют оптические соединения не только
вместо шлейфов, но и вместо электронных логиче-
ских элементов материнской платы. Таким обра-
зом, исследование элементов оптических соедине-
ний (приемник, передатчик, волновод) продолжает
являться на сегодняшний день важной задачей. В
качестве передатчиков особо привлекательны ла-
зеры с вертикальным резонатором (ЛВР). В каче-
стве приемников лазерного излучения использу-
ются p-i-n фотодиоды, которые обладают высоким
быстродействием и смещенной по отношению к
другим типам фотодиодов в область высоких час-
тот частотной характеристикой [1 - 4]. Весьма пер-
спективными являются резонансные фотодетекто-
ры (РФД), p-i-n структура которых помещена в
оптический резонатор, зеркала которого, как пра-
вило, являются брэгговскими отражателями. Пре-
имущество такого технического решения состоит в
усилении оптического поля на резонансной часто-
те внутри РФД. Это позволяет при малой i-области
(порядка десятков нанометров) получить высокую
квантовую эффективность (КЭ) (близко к 100%)
[1, 2, 5, 6]. Таким образом, быстродействие диода,
которое зависит от ширины i-области, остается
высоким. Обладая высоким быстродействием и
возможностью выделить необходимый узкий
спектр колебаний, РФД являются наиболее подхо-
дящими устройствами для систем передачи дан-
ных. Параметр КЭ ( ) фактически показывает
эффективность преобразования оптической мощ-
ности в электрическую и является ключевым для
фотодетекторов любого типа. Величина КЭ зави-
сит от физических параметров детектора и зеркал
резонатора. Исследование этих зависимостей фор-
мируют цель и задачи данной работы.
Целью является исследование влияния фи-
зических параметров резонансного детектора на его
квантовую эффективность. Получение требуемых
для высокой КЭ значений коэффициента отражения
верхнего зеркала для заданного материала детектора
и длины волны детектируемого излучения.
К задачам относится использование анали-
тической модели для построения зависимости кван-
товой эффективности от коэффициентов отражения
зеркал резонатора, ширины активного слоя и коэф-
фициентов поглощения. Провести анализ результа-
тов и выявить механизмы влияния физических па-
раметров на КЭ. Используя полученные зависимо-
сти, определить требуемое число слоев верхнего
брэгговского отражателя для высокой КЭ.
1. Математическая модель. Квантовая
эффективность детектора определяется как веро-
ятность попавшего в детектор фотона возбудить
электрон, который будет составлять фототок. Пол-
ная КЭ состоит из оптической КЭ (учитывается
абсорбция фотонов в веществе), внутренней КЭ
(учитывается неупругое рассеяние электронов в
квантовой яме) и барьерной КЭ (учитывается рас-
сеяние электронов на приконтактном барьере).
Исходя из вышесказанного, можем запи-
сать полную КЭ
a b c , (1)
где a - оптическая КЭ;
b
- барьерная КЭ; c -
внутренняя КЭ.
Схематическая структура РФД представле-
на на рис. 1. Активный слой, в котором происходит
поглощение, расположен между двумя распреде-
ленными брэгговскими отражателями (РБО) и опре-
деляется толщиной d и коэффициентом поглоще-
ния α. Расстояния между активным слоем и верхним
и нижним зеркалами обозначены как 1L и 2L соот-
ветственно (длина разделительных слоев). Мы рас-
сматриваем прямое попадание излучения на фото-
С. В. Грищенко и др. / Квантовая эффективность резонансного…
_________________________________________________________________________________________________________________
402
детектор и поэтому ограничимся одномерным слу-
чаем. Примем, что тангенциальная составляющая
электрического вектора, падающего на фотодетектор
излучения, равна iE . Используя приближение пло-
ских волн, разложим электромагнитное поле в струк-
туре РФД на прямую волну fE и обратную - bE .
Зеркала резонатора, верхнее и нижнее, описываются
амплитудными коэффициентами отражения 1
1
jre
и
2
2
jr e
соответственно, где 1 и
2
- сдвиги фаз,
обусловленные проникновением оптического поля
внутрь зеркала; 1r и 2r - модули амплитудных коэф-
фициентов отражения. Энергетические коэффициен-
ты отражения верхнего и нижнего зеркал выражают-
ся как
2
1 1R r и
2
2 2R r соответственно.
Ei
Ef
Еb
1
2
3
αex
αex
α
r1e
-jφ1
r2e
-jφ2
Рис. 1. Схематическая структура резонансного детектора: 1, 3 -
разделительные слои, 2 - активный слой
Прямая волна fE в точке z = 0 может
быть получена из условия самосогласования, т. е.
fE - является суммой волны, прошедшей через
верхнее зеркало, и волны, прошедшей через весь
резонатор туда и обратно. Таким образом, выра-
жение для fE может быть представлено в виде
самосогласованного уравнения [1, 5, 6]
1 2
1 2
( )
1 1 2
(2 )
,
exd L L
f i
j L
f
E t E r r e
e E
(2)
где 1t - коэффициент пропускания верхнего РБО;
- коэффициент поглощения активной области;
ex - коэффициент поглощения разделительных
слоев; - постоянная распространения.
Исходя из уравнения (2), прямая волна
fE записывается в виде
1 2 1 2
1
( ) (2 )
1 21 ex
f id L L j L
t
E E
r r e e
.
Обратная волна bE
1 2 2( / 2)( ) ( )/ 2
2
ex L L j Ld
b fE r e e e E
. (3)
Оптическая мощность внутри резонато-
ра [1]
2
02
s s
n
P E
, (где s = f или b ), (4)
где 0 - вакуумный импеданс; n - показатель пре-
ломления материала детектора.
В этом случае оптическая мощность, по-
глощенная в активном слое lP может быть полу-
чена из входной мощности iP в следующей форме
[1, 7, 8]:
___________________________________________
1 2
1 2
2 2
1 2
22
1 2 1 2 1 2
(1 )( )(1 )
( )(1 ) .
1 2 cos(2 ) ( )
ex ex c
ex ex
c c
L L L d
L L d
l f b iL L
r e r e e e
P P e P e e P
r r e L r r e
(5)
___________________________________________
где c - нормированный коэффициент поглоще-
ния, равный 1 2( ) /c ex exL L d L .
_________________________________________
Учитывая, что оптическая КЭ
l
a
i
P
P
, (6)
получим
1 2
2
1 2
1 2 1 2 1 2
( )
(1 )(1 ) .
[1 2 cos(2 ) ]
ex ex c
c c
L L L
d
a L L
e e R e
R e
R R e L R R e
(7)
___________________________________________
Из (7) легко видеть, что КЭ имеет периодиче-
ский спектр. Максимальная КЭ будет наблю-
даться на резонансной длине волны. В условии
резонанса 1 2(2 2 ( 1, 2, 3...))L m m
выражение (7) можно упростить
С. В. Грищенко и др. / Квантовая эффективность резонансного…
_________________________________________________________________________________________________________________
403
1 2
2
2
1 2
1
( )
[1 ]
(1 )(1 ).
ex ex c
c
L L L
a L
d
e e R e
R R e
R e
(8)
Необходимо отметить, что в уравнении (8)
игнорируются отражения на поверхностях раздела
между активным слоем и разделительными слоями.
Эта аппроксимация справедлива, когда рассматри-
вается гетероструктура с малыми контрастами ди-
электрической постоянной [1, 3, 7].
Влияние стоячей волны (СВ) (т. е. про-
странственного распределения оптического поля
в резонаторе) в этом уравнении также не учтено.
Если рассматривать детекторы с толстыми актив-
ными слоями, охватывающими несколько перио-
дов СВ, то влиянием СВ можно пренебречь. Од-
нако для очень тонких активных слоев, вклад СВ
значителен [8].
Вклад СВ может быть учтен, используя
концепцию эффективного коэффициента погло-
щения [1, 8]
KCBeff , (9)
где КСВ - поправочный коэффициент стоячей
волны; eff - эффективный коэффициент погло-
щения в активной области, учитывающий влияние
СВ. Подставляя eff вместо в выражение (8),
получим КЭ, учитывающую СВ.
Для случая, когда 1 0 , 2 0 (т. е.
длина волны излучения соответствует брэггов-
ской длине волны зеркал B ) и 1 2L L (ак-
тивный слой расположен точно в центре резона-
тора), можно использовать следующую формулу
для КСВ [8]:
2
2
2
2 sin( )
KCB 1
(1 )
r d
d r
, (10)
где
2 effn
; 1 1 2 2 a
eff
L n L n dn
n
L
- эффек-
тивный показатель преломления, 1n , 2n и an -
показатели преломления разделительных и актив-
ного слоев.
Параметр внутренней КЭ следует рас-
сматривать только при наличии квантоворазмер-
ных слоев в фотодетекторе. Оптически возбуж-
денные электроны в активном слое будут претер-
певать неупругое рассеяние, вследствие чего бу-
дут терять энергию, и вероятность выхода из по-
тенциальной ямы будет понижаться. Параметр
можно представить в виде
exp( / )c zd L , (11)
где zL - длина свободного пробега электрона.
Барьерная КЭ определяется как вероят-
ность прохода электроном расстояния x вблизи
барьера без рассеяния
exp( / )b sx L , (12)
где sL - длина свободного пробега в потенциаль-
ной яме, созданной силой "электрического изо-
бражения"; x - расстояние между максимумом
барьера и границей раздела. Сила "электрическо-
го изображения" характеризует взаимодействие
электрических зарядов с границей раздела двух
полупроводников [9].
Расположение и высота максимума барь-
ера зависит от приложенного напряжения смеще-
ния, так как внешнее поле меняет силу "электри-
ческого изображения" [10]. Вследствие этого за-
висимость фототока от напряжения смещения
обуславливается рассеянием электронов в потен-
циальной яме на границе раздела и изменением
максимальной энергии барьера. Расстояние x
может быть представлено как [10]
1
2
0
( )
16 a
q
x
F
, (13)
где q - заряд электрона; 0 - диэлектрическая
постоянная; a - диэлектрическая проницаемость
активного слоя; 0( ) /bF V V d - электрическое
поле в активной области, bV - напряжение сме-
щения, 0V - энергия плоской зоны.
2. Исследуемая структура. Детекти-
рующая структура представляет собой трехслой-
ное In0,2Ga0,8As/GaAs соединение, оптическая
длина которого составляет половину длины волны
падающего излучения ( = 0,98 мкм). Структура
и материалы выбирались на основании данных,
полученных при практических исследованиях
различными научными группами и с учетом ин-
формации о реальных приборах [3 - 5, 11 - 13].
Схематическое изображение исследуемой струк-
туры представлено на рис. 2.
n
p
Рис. 2. Исследуемая структура
С. В. Грищенко и др. / Квантовая эффективность резонансного…
_________________________________________________________________________________________________________________
404
Выбор In0,2Ga0,8As в качестве активного
вещества был обусловлен наличием пика погло-
щения в области 1 мкм, так как значительная
часть излучателей, применяемых в системах пере-
дачи данных, работает в этой спектральной облас-
ти. В качестве материала разделительного слоя
детектора был выбран GaAs. Такой выбор, в пер-
вую очередь связан с малым поглощением на ра-
бочей длине волны [2, 3]. Для РБО было выбрано
многослойное зеркало Al0,65Ga0,35As/GaAs. Эта
структура обладает низкими барьерными напря-
жениями, высокой теплопроводностью, высокой
электропроводностью, необходимым контрастом
показателей преломления, малыми потерями по-
глощения излучения на свободных носителях и
возможностью использования существующих
методов поперечного ограничения тока и оптиче-
ского поля. Толщины слоев брэгговских зеркал
выбирались таким образом, чтобы брэгговская
длина волны зеркал B составляла 0,98 мкм.
В таблице приведены параметры, исполь-
зуемые для численного моделирования КЭ и от-
ражательных свойств РБО.
Параметры структуры
Параметр Значение
Толщина активного слоя, d (In0,2Ga0,8As) от 4 до 15 нм
Толщина разделительного слоя, h (GaAs)
от 61 до 67 нм
(в зависимости
от значения d)
Толщина слоя зеркала (Al0,65Ga0,35As) 77,44 нм
Толщина слоя зеркала (GaAs) 69,5 нм
Показатель преломления Al0,65Ga0,35As 3,1637
Показатель преломления GaAs, n1, n2 3,5256
Показатель преломления In0,2Ga0,8As, na 3,5691
Коэффициент поглощения активной об-
ласти, α (In0,2Ga0,8As)
от 1,5·104
до 24·104 см-1
Коэффициент поглощения разделитель-
ных слоев, αex (GaAs)
1,5·102 см-1
Энергия плоской зоны, V0 2,1 В
Длина свободного пробега носителей, Lz 250 А
3. Анализ результатов. Рис. 3 и 4 демон-
стрируют результаты расчета КЭ как функции
коэффициента отражения верхнего зеркала 1R
для различных величин коэффициента отражения
нижнего зеркала 2R . Графики построены для
двух значений коэффициента поглощения актив-
ного слоя в условии резонанса. Как показали рас-
четы, только зависимость КЭ от 1R имеет экс-
тремум, поэтому далее рассмотрим эту зависи-
мость для различных значений других параметров
структуры. Значение 1R в точке максимума КЭ
зависит от 2R . Для достижения максимальной КЭ
при уменьшении 2R необходимо уменьшать и
1R . Это связано с тем, что для получения макси-
мального эффекта усиления в резонаторе необхо-
димо, чтобы излучение задерживалось в цен-
тральной области, т. е. должно выполняться усло-
вие 2R > 1R .
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
0
10
20
30
40
50
60
Коэффициент отражения входного зеркала
К
в
ан
то
в
ая
э
ф
ф
ек
ти
в
н
о
ст
ь,
%
Рис. 3. Зависимость КЭ от коэффициентов отражения верхнего
и нижнего зеркал для α = 1,5·104 см-1. В скобках указано число
слоев РБО для нижнего зеркала. Сплошная кривая соответству-
ет R2
= 1 при N = ∞. Остальные кривые сверху вниз
R2 =
0,98(N = 50); R2 =
0,95(N = 40); R2
= 0,86(N = 30); R2
= 0,63(N = 20)
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
0
10
20
30
40
50
60
Коэффициент отражения входного зеркала
К
в
ан
то
в
ая
э
ф
ф
ек
ти
в
н
о
ст
ь,
%
Рис. 4. Зависимость КЭ от коэффициентов отражения верхнего
и нижнего зеркал для α = 24·104 см-1. В скобках указано число
слоев РБО для нижнего зеркала. Сплошная кривая соответству-
ет R2
=1 при N = ∞. Остальные кривые сверху вниз
R2
= 0,98(N = 50); R2
= 0,95(N = 40); R2
= 0,86(N = 30); R2
= 0,63(N = 20)
На графиках видно, что снижается при
уменьшении 2R при любых значениях 1R . Это
связано с тем, что уменьшая 2R , мы значительно
увеличиваем потери системы (излучение после
каждого прохода внутри резонатора частично вы-
ходит из него через нижнее зеркало). Поскольку
активный слой квантоворазмерный, то поглоще-
ние за один проход весьма мало. Таким образом,
коэффициент отражения нижнего зеркала должен
быть как можно больше. Причем влияние величи-
ны 2R на КЭ тем больше, чем меньше коэффици-
ент поглощения в активном слое (сравните вели-
чину сдвига кривых на рис. 3 и 4), так как за один
С. В. Грищенко и др. / Квантовая эффективность резонансного…
_________________________________________________________________________________________________________________
405
проход отношение поглощения в активном слое к
потерям на нижнем зеркале будет уменьшаться.
Как известно, при росте числа слоев РБО
возрастает коэффициент отражения [2, 12], что
показано на рис. 5, где представлена зависимость
коэффициента отражения нижнего зеркала от
числа слоев. Видно, что при малом числе слоев
зависимость имеет почти линейный нарастающий
характер. Это позволяет получить сравнительно
высокий коэффициент отражения, просто добав-
ляя слои нижнего РБО. Однако при увеличении
слоев больше 15 появляется изгиб кривой и сни-
жение роста коэффициента отражения. Данное
насыщение является следствием уменьшения доли
отражения отдельного слоя из-за увеличения их
общего числа. Этот факт делает затруднительным
получить 100%-ное отражение, просто добавляя
новые слои. Безмерное увеличение слоев РБО
повлечет за собой увеличение затрат на изготов-
ление и рост оптических потерь в РБО. Таким
образом, для выходного зеркала РФД значение
коэффициента отражения 2R = 0,98 представляет-
ся достаточным [3, 4, 13]. Такое значение дости-
гается при числе слоев N = 50. Еще более эффек-
тивным способом, позволяющим получить мак-
симально близкий к 1 коэффициент отражения,
будет использование материалов с большим кон-
трастом показателя преломления [14].
0 10 20 30 40 50
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Число слоев нижнего брэгговского зеркала, N К
оэ
ф
ф
и
ц
и
ен
т
от
ра
ж
ен
и
я
н
и
ж
н
ег
о
зе
рк
ал
а
R
2
Рис. 5. Зависимость коэффициента отражения нижнего зеркала
от числа слоев РБО
При расчете коэффициента отражения в
числе слоев РБО учитывались также внешние
слои: подложка и разделительные слои. В отличие
от нижнего зеркала, верхнее зеркало в качестве
одного из внешних слоев имеет воздух, в следст-
вие чего имеется большой контраст показателя
преломления воздух-AlGaAs. Это приводит к зна-
чительному увеличению коэффициента отражения
зеркала при том же числе слоев (рис. 6), делая
возможным уменьшение их количества.
0 10 20 30 40 50
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Число слоев верхнего брэгговского зеркала, N
К
о
эф
ф
и
ц
и
ен
т
о
тр
аж
ен
и
я
ве
р
х
н
ег
о
з
ер
ка
ла
R
1
Рис. 6. Зависимость коэффициента отражения верхнего зеркала
от числа слоев РБО
Рассмотрим теперь, как влияет на КЭ
толщина активного слоя. На рис. 7 показано, что
КЭ растет с уменьшением толщины активного
слоя детектора. Этот результат справедлив только
для детекторов с квантоворазмерными активными
слоями. Это связано с тем, что полная КЭ вклю-
чает оптическую и внутреннюю КЭ. Согласно
теории для детекторов на основе массивного по-
лупроводника оптическая КЭ растет при увеличе-
нии толщины активного слоя [2]. Однако при рас-
смотрении детекторов с квантоворазмерными
активными слоями необходимо учитывать вклад
внутренней КЭ (11), которая растет с уменьшени-
ем толщины активного слоя детектора и оказыва-
ет более сильное влияние на полную КЭ при ма-
лых изменениях толщины активного слоя. При
этом прослеживается смещение пика КЭ в об-
ласть высокого коэффициента отражения 1R . Это
объясняется уменьшением поглощения в актив-
ной области за один проход излучения через ак-
тивный слой и таким образом, возможностью
увеличить число проходов за счет увеличения
коэффициента отражения верхнего зеркала.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Коэффициент отражения входного зеркала
К
в
ан
то
в
ая
э
ф
ф
ек
ти
в
н
о
ст
ь,
%
Рис. 7. Зависимость КЭ от коэффициента отражения верхнего
зеркала при различных толщинах активного слоя. Сплошная
кривая соответствует d = 15 нм, пунктирная d = 12 нм, точечная
d = 8 нм, маркированая крестом d = 4 нм
С. В. Грищенко и др. / Квантовая эффективность резонансного…
_________________________________________________________________________________________________________________
406
На рис. 8 показана зависимость КЭ от ко-
эффициента отражения верхнего зеркала при раз-
личных коэффициентах оптического поглощения
активного слоя. При увеличении поглощения КЭ
прогнозируемо растет. Однако в то же время име-
ет место сдвиг пика КЭ в область низкого коэф-
фициента отражения верхнего зеркала. Это про-
исходит по следующим причинам. Одним из ус-
ловий низкого обратного отражения излучения от
детектора на резонансной длине волны является
многолучевая интерференция внутри резонатора.
При этом важно многократное прохождение из-
лучения от зеркала к зеркалу. При сильном увели-
чении коэффициента поглощения в активной об-
ласти количество проходов резко уменьшается и
достаточной интерференции не будет наблюдать-
ся. Как результат, высокий коэффициент отраже-
ния от детектора и соответственно низкая доброт-
ность резонатора. При уменьшении коэффициента
отражения верхнего зеркала необходимое количе-
ство проходов излучения через резонатор умень-
шается и в результате растет добротность и КЭ.
Если же оптическое поглощение невелико, то для
полной абсорбции в активном слое излучению
требуется большое число проходов резонатора.
Поэтому для обеспечения высокой добротности
коэффициенты отражения должны быть велики.
0 0.1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
0
10
20
30
40
50
60
К
в
ан
то
в
ая
э
ф
ф
ек
ти
в
н
о
ст
ь,
%
Коэффициент отражения входного зеркала
Рис. 8. Зависимость КЭ от коэффициента отражения верхнего
зеркала при различных коэффициентах поглощения активного
слоя. Сплошная кривая соответствует α = 1,5 мкм-1, точечная
α = 5 мкм-1, пунктирная α = 15 мкм-1, маркированая кружком
α = 24 мкм-1.
Проведенные расчеты показали, что влия-
ние коэффициентов поглощения разделительных
слоев на КЭ РФД пренебрежимо мало. Также было
выяснено, что барьерная квантовая эффективность
при правильно подобранном напряжении смещения
равна практически 100% [15].
Выводы. Таким образом была выполнена
поставленная задача исследования влияния физи-
ческих параметров резонансного детектора на его
КЭ. Выполненные расчеты показали что:
- зависимость КЭ от коэффициента отра-
жения верхнего зеркала резонатора имеет экстре-
мальный характер. При достаточно высоком по-
глощении пик характеристики наблюдается при
низком коэффициенте отражения верхнего зерка-
ла (КЭ = 54,1% при = 24·10
4
см
-1
, d = 15 нм,
2R = 0,98 и 1R = 0,24) (в качестве верхнего зерка-
ла достаточно отражение границы раздела воздух-
полупроводник [1]);
- дальнейшее увеличение полной КЭ за-
трудняется низкой внутренней КЭ в связи с кван-
товыми эффектами в активном слое. Для получе-
ния высокой КЭ необходимо уменьшить толщину
активного слоя (КЭ = 80,7% при = 24·10
4
см
-1
,
d = 4 нм, 2R = 0,98 и 1R = 0,67, т. е. достаточно
10 слоев верхнего зеркала);
- нижнее зеркало должно иметь как можно
больший коэффициент отражения. При уменьше-
нии числа слоев нижнего зеркала для сохранения
требуемой КЭ необходимо уменьшить число сло-
ев верхнего зеркала;
- КЭ падает при уменьшении коэффициен-
та поглощения в активном слое, однако она зна-
чительно уменьшается только при уменьшении
коэффициента поглощения на порядок. При этом
сильно меняются требования к отражающей спо-
собности верхнего зеркала (КЭ = 54,1% при
= 24·10
4
см
-1
и 1R = 0,24 против КЭ = 44,3% при
= 1,5·10
4
см
-1
и 1R = 0,9).
Научная новизна работы состоит в том,
что получены значения коэффициента отражения
верхнего зеркала для заданных материалов детек-
тора и длины волны детектируемого излучения.
Понимание принципов влияния физических пара-
метров структуры на КЭ имеет практическую зна-
чимость при создании новых и оптимизации су-
ществующих конструкций РФД.
Нами проводилось исследование влияния
физических параметров структуры на КЭ только в
условии резонанса. Однако для более полного
описания необходимо учитывать и нерезонансный
случай, рассматривая зависимость от длины вол-
ны. Для проведения подобных исследований при-
веденные выше аналитические модели не работа-
ют и необходимо использовать другие методы
расчета КЭ путем вычисления электромагнитного
поля внутри структуры.
Авторы выражают благодарность
И. А. Сухоиванову за советы в ходе выполнения
работы и помощь при подготовке рукописи.
1. Selim Unlu M., Strite Samuel. Resonant Cavity enhanced photon-
ic devices // J. Appl. Phys. - 1995. - 78, №2. - P.230-234.
2. Киес Р. Дж., Крузе П. В., Патли П. В. и др. Фотоприемни-
ки видимого и ИК диапазона / Пер. с англ. под ред.
Р. Дж. Киеса. - М.: Радио и связь, 1985. - 328 с.
С. В. Грищенко и др. / Квантовая эффективность резонансного…
_________________________________________________________________________________________________________________
407
3. Xie K., Zhao J. H., Shi Y. at al. Resonant Cavity Enhanced
GaInAsSb-AlAsSb Photodetector Grown by MBE for Mid-IR
Applications // IEEE Photonics Technology Letters. - 1996. - 8,
№5. - P.1230-1234.
4. Tailor G. W, Simmons J. G., Cho A. Y. and Mand R. S. A new
double-heterostructure optoelectronic switching device using
molecular-beam epitaxy // J. Appl. Phys. 59. - 1986. - P.230-
234.
5. Грищенко С. В., Клименко М. В. Исследование квантовой
эффективности резонансного GaAs фотодетектора // 10-й
ювiлейний мiжнародний молодiжний форум “Радiоелектро-
нiка i молодь в XXI ст.”: Зб. матерiалiв. - Харкiв: ХНУРЕ,
2006. - 161 с.
6. Kafai Lai, Campbell Joe C. Design of a Tunable GaAs/AlGaAs
Multiple-Quantum-Well Resonant-Cavity Photodetector // IEEE
J. of Quantum Electronics. - 1994. - 30, №1. - P.108-114.
7. Соболева Н. А., Меламид А. Е Фотоэлектронные приборы -
М.: Высшая шк., 1974. - 376 с.
8. Zhang Y. H., Luo H. T., Shen W. Z. Study on the quantum
efficiency of resonant cavity enhanced GaAs far-infrared detec-
tors // J. Appl. Phys. - 2002. - 91, №9. - P.5538-5544.
9. Стриха В. И. Контактные явления в полупроводниках. -
Киев: Вища шк. Головное изд-во, 1982. - 224 с.
10. Perera A. G. U., Yuan H. X., Francombe M. H. Homojunction
internal photoemission far-infrared detectors: Photoresponse
performance analysis // J. Appl. Phys. - 1995. - 77, №2. -
P.915-924.
11. Jervase Joseph A., Bourdoucen Hadj. Design of Resonant-
Cavity-Enhanced Photodetectors Using Genetic Algorithms //
IEEE J. of Quantum Electronics. - 2000. -36, №3. - P.325-332.
12. Knodl T., Choy H. K., Pan J. L. at al. RCE Photodetectors
Based on VCSEL Structures // IEEE Photonics Technology
Letters. - 1999. - 11, №10. - P.1289-1291.
13. De Corby R. G., Hnatiw A. J. P., Hillier G. Resonant-Cavity
MSM Photodetector Employing a Burstein-Shifted InGaP-GaAs
Reflector // IEEE Photonics Technology Letters. - 1999. - 11,
№9. - P.1165-1167.
14. Ковбаса А. А., Зиньковская И. О., Лысак В. В. и др. Отра-
жательные свойства распределенных Брегговских отража-
телей в комплексе с оксидным окном // Радиоэлектроника
и информатика. - 2005. - №3. - С.55-61.
15. Грищенко С. В., Демин А. А. Влияние сил изображения на
движение электронов в гетероструктуре InGaAs/GaAs // 11-й
ювiлейний мiжнародний молодiжний форум “Радiоелектро-
нiка i молодь в XXI ст.”: Зб. матерiалiв. - Харкiв: ХНУРЕ,
2007. - Ч.1. - 293 с.
QUANTUM EFFICIENCY OF THE InGaAS/GaAs
RESONANT CAVITY ENHANCED
PHOTODETECTOR FOR THE ULTRASHORT
OPTICAL CONNECTION
S. V. Gryshchenko, A. A. Dyomin,
V. V. Lysak, S. I. Petrov
We present a theoretical analysis on the quantum efficiency of a
resonant cavity enhanced (RCE) InGaAs/GaAs p-i-n detector for the
ultrashort optical connections. The quantum efficiency (QE) under
resonant condition has been calculated. The math model includes
physical parameters of photodetector and takes into account wave-
length, reflecting availability of mirrors and optical absorption in all
photodetector layers. QE dependence from the top mirror reflectivi-
ty coefficient based on Al0,65Ga0,35As/GaAs was obtained. Magni-
tude of reflectivity coefficient of the top mirror in dependence of
different physical parameters was found.
Key words: quantum efficiency, resonance cavity enhanced photo-
detector, distributed Bragg reflectors.
КВАНТОВА ЕФЕКТИВНІСТЬ РЕЗОНАНСНОГО
InGaAs/GaAs ФОТОДЕТЕКТОРА ДЛЯ
НАДКОРОТКИХ ОПТИЧНИХ З’ЄДНАНЬ
С. В. Грищенко, А. А. Демин,
В. В. Лисак, С. І.Петров
Проводиться теоретичне дослідження квантової
єфективності резонансного p-і-n фотодетектора на основі
InGaAs/GaAs для надшвидких оптичних з’еднань. Розрахована
квантова ефективність для умов резонансу. Математична мо-
дель включає до себе фізичні параметри фотодетектора та
враховує довжину хвілі випромінювання, відбивну спромож-
ність дзеркал та оптичне поглинання в усіх шарах детектора.
Були отримани залежності квантової ефективності від коєфіці-
ента відбивання верхнього дзеркала резонатора на основі
Al0,65Ga0,35As/GaAs при різних інших параметрах структури.
Знайдено значення коєфіциента відбивання верхнього дзеркала
в залежності від фізичних параметрів структури.
Ключовi слова: квантова еффетивнiсть, резонанс-
ний фотодетектор, розподілений відбивач Брега.
Рукопись поступила 27 апреля 2007 г.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10802 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1028-821X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:07:08Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Грищенко, С.В. Демин, А.А. Лысак, В.В. Петров, С.И. 2010-08-06T15:57:58Z 2010-08-06T15:57:58Z 2007 Квантовая эффективность резонансного InGaAs/GaAs фотодетектора для сверхкоротких оптических соединений / С.В. Грищенко, А.А. Демин, В.В. Лысак, С.И. Петров // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, № 2. — С. 401-407. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10802 621.383.52 Проводится теоретическое исследование квантовой эффективности резонансного p-i-n фотодетектора на основе InGaAs/GaAs
 для сверхкоротких оптических соединений. Рассчитана квантовая эффективность для условий резонанса. Математическая модель включает физические параметры фотодетектора и учитывает длину волны излучения, отражательную способность зеркал и оптическое поглощение во всех слоях детектора. Были получены зависимости квантовой эффективности от коэффициента отражения верхнего зеркала
 резонатора на основе Al0,65Ga0,35As/GaAs при различных других параметрах структуры. Найдены значения коэффициента отражения
 верхнего зеркала в зависимости от физических параметров структуры. Проводиться теоретичне дослідження квантової єфективності резонансного p-і-n фотодетектора на основі InGaAs/GaAs для надшвидких оптичних з’еднань. Розрахована квантова ефективність для умов резонансу. Математична модель включає до себе фізичні параметри фотодетектора та враховує довжину хвілі випромінювання, відбивну спроможність дзеркал та оптичне поглинання в усіх шарах детектора. Були отримани залежності квантової ефективності від коєфіціента відбивання верхнього дзеркала резонатора на основі Al0,65Ga0,35As/GaAs при різних інших параметрах структури. Знайдено значення коєфіциента відбивання верхнього дзеркала в залежності від фізичних параметрів структури. We present a theoretical analysis on the quantum efficiency of a resonant cavity enhanced (RCE) InGaAs/GaAs p-i-n detector for the ultrashort optical connections. The quantum efficiency (QE) under resonant condition has been calculated. The math model includes physical parameters of photodetector and takes into account wave-length, reflecting availability of mirrors and optical absorption in all photodetector layers. QE dependence from the top mirror reflectivity coefficient based on Al0,65Ga0,35As/GaAs was obtained. Magnitude of reflectivity coefficient of the top mirror in dependence of different physical parameters was found. Авторы выражают благодарность
 И. А. Сухоиванову за советы в ходе выполнения
 работы и помощь при подготовке рукописи. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Вакуумная и твердотельная электроника Квантовая эффективность резонансного InGaAs/GaAs фотодетектора для сверхкоротких оптических соединений Квантова ефективність резонансного InGaAs/GaAs фотодетектора для надкоротких оптичних з’єднань Quantum efficiency of the InGaAs/GaAs resonant cavity enhanced photodetector for the ultrashort optical connection Article published earlier |
| spellingShingle | Квантовая эффективность резонансного InGaAs/GaAs фотодетектора для сверхкоротких оптических соединений Грищенко, С.В. Демин, А.А. Лысак, В.В. Петров, С.И. Вакуумная и твердотельная электроника |
| title | Квантовая эффективность резонансного InGaAs/GaAs фотодетектора для сверхкоротких оптических соединений |
| title_alt | Квантова ефективність резонансного InGaAs/GaAs фотодетектора для надкоротких оптичних з’єднань Quantum efficiency of the InGaAs/GaAs resonant cavity enhanced photodetector for the ultrashort optical connection |
| title_full | Квантовая эффективность резонансного InGaAs/GaAs фотодетектора для сверхкоротких оптических соединений |
| title_fullStr | Квантовая эффективность резонансного InGaAs/GaAs фотодетектора для сверхкоротких оптических соединений |
| title_full_unstemmed | Квантовая эффективность резонансного InGaAs/GaAs фотодетектора для сверхкоротких оптических соединений |
| title_short | Квантовая эффективность резонансного InGaAs/GaAs фотодетектора для сверхкоротких оптических соединений |
| title_sort | квантовая эффективность резонансного ingaas/gaas фотодетектора для сверхкоротких оптических соединений |
| topic | Вакуумная и твердотельная электроника |
| topic_facet | Вакуумная и твердотельная электроника |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10802 |
| work_keys_str_mv | AT griŝenkosv kvantovaâéffektivnostʹrezonansnogoingaasgaasfotodetektoradlâsverhkorotkihoptičeskihsoedinenii AT deminaa kvantovaâéffektivnostʹrezonansnogoingaasgaasfotodetektoradlâsverhkorotkihoptičeskihsoedinenii AT lysakvv kvantovaâéffektivnostʹrezonansnogoingaasgaasfotodetektoradlâsverhkorotkihoptičeskihsoedinenii AT petrovsi kvantovaâéffektivnostʹrezonansnogoingaasgaasfotodetektoradlâsverhkorotkihoptičeskihsoedinenii AT griŝenkosv kvantovaefektivnístʹrezonansnogoingaasgaasfotodetektoradlânadkorotkihoptičnihzêdnanʹ AT deminaa kvantovaefektivnístʹrezonansnogoingaasgaasfotodetektoradlânadkorotkihoptičnihzêdnanʹ AT lysakvv kvantovaefektivnístʹrezonansnogoingaasgaasfotodetektoradlânadkorotkihoptičnihzêdnanʹ AT petrovsi kvantovaefektivnístʹrezonansnogoingaasgaasfotodetektoradlânadkorotkihoptičnihzêdnanʹ AT griŝenkosv quantumefficiencyoftheingaasgaasresonantcavityenhancedphotodetectorfortheultrashortopticalconnection AT deminaa quantumefficiencyoftheingaasgaasresonantcavityenhancedphotodetectorfortheultrashortopticalconnection AT lysakvv quantumefficiencyoftheingaasgaasresonantcavityenhancedphotodetectorfortheultrashortopticalconnection AT petrovsi quantumefficiencyoftheingaasgaasresonantcavityenhancedphotodetectorfortheultrashortopticalconnection |