目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 半導體光電器件發展概述 1
1.2 半導體光探測器的研究現狀 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 10
第2章 半導體光電器件基礎 13
2.1 半導體物理基本知識 13
2.1.1 基本晶體結構 14
2.1.2 半導體中的能級躍遷 16
2.2 半導體 PN 結的形成 18
2.2.1 半導體中的載流子 18
2.2.2 半導體的 PN 結 18
2.2.3 載流子的定向移動 20
2.3 光電集成技術 21
參考文獻 22
第3章 微納結構半導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 24
3.1.1 光探測器的工作原理 24
3.1.2 量子效率與響應度 26
3.1.3 頻率響應與 3dB 帶寬 26
3.1.4 噪聲 30
3.1.5 飽和特性 32
3.2 設計分析方法 35
3.2.1 麥克斯韋方程組 36
3.2.2 泊松方程 38
3.2.3 載流子輸運方程 39
3.2.4 連續性方程 39
3.3 主要物理模型 40
3.3.1 載流子統計模型 40
3.3.2 載流子遷移模型 41
3.3.3 載流子復合模型 42
3.4 同質集成的微納結構半導體光探測器 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 微環結構光探測器 56
3.5 異質集成的微納結構半導體光探測器 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 69
第4章 微納結構半導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構光探測器的影響 84
4.2 基于亞波長光柵的 RCE 微納結構光探測器 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 光探測器的設計與仿真 99
4.2.4 非周期型 HCSG-RCE 光探測器的設計與仿真 104
4.2.5 HCSG-RCE 光探測器的設計與仿真 112
4.3 V-型槽微納結構 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 132
第5章 微納結構半導體光探測器制備工藝與測試 135
5.1 薄膜制備工藝及質量表征 135
5.1.1 外延技術 135
5.1.2 外延片質量表征及檢測 136
5.2 微納結構光探測器制備的關鍵技術步驟 138
5.2.1 光刻技術 138
5.2.2 刻蝕技術 139
5.2.3 鍍電極技術 141
5.3 基于倒錐及 V-型槽結構 PIN 光探測器的制備 141
5.3.1 器件的結構及分析 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構光探測器的制備 150
5.4.1 器件的結構及分析 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 同心環光柵的蘑菇型臺面 PIN 光探測器的制備 153
5.5.1 器件的結構及分析 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 器件的結構及分析 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 161
參考文獻 161
第6章 微納結構半導體光探測器的應用 163
6.1 現代高速光通信系統 163
6.1.1 波分復用光接入網系統 163
6.1.2 相干檢測主干傳輸網系統 165
6.1.3 數據中心光互聯系統 168
6.1.4 寬帶射頻信號光傳輸系統 169
6.2 可重構光網絡 171
6.2.1 基于波長阻斷器的 ROADM 171
6.2.2 基于平面光波導的 ROADM 172
6.2.3 基于波長選擇器的 ROADM 173
6.3 6G 光通信網絡 174
6.3.1 THz 技術中的半導體微結構光探測器 174
6.3.2 AI“智慧傳輸” 與半導體微結構光探測器 178
6.4 綠色光網絡 179
參考文獻 180
第7章 微納結構半導體光探測器的發展趨勢 186
7.1 微納結構半導體光探測器的新結構 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 微納結構半導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 微納結構半導體光探測器的新技術 196
7.3.1 基于逆向設計的半導體光探測器 196
7.3.2 基于光子捕獲結構的半導體光探測器 198
7.3.3 基于超表面集成的半導體光探測器 199
7.3.4 基于表面等離激元的半導體光探測器 201
參考文獻 202
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