Мощный p-i-n фотодиод спектрального диапазона 1300–1550 нм с токовой чувствительностью 0,5 А/Вт при мощности оптического излучения 50 мВт

Копытов П.Е., Рочас С.С., Колодезный Е.С., Новиков И.И., Воропаев К.О.

Ссылка для цитирования:

Копытов П.Е., Рочас С.С., Колодезный Е.С., Новиков И.И., Воропаев К.О. Мощный p-i-n фотодиод спектрального диапазона 1300–1550 нм с токовой чувствительностью 0,5 А/Вт при входной мощности оптического излучения 50 мВт // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 12. С. 3–12. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-12-3-12

Kopytov P.E., Rochas S.S. Kolodeznyi E.S., Novikov I.I., Voropaev K.O. Highpower p-i-n photodiode of 1300–1550 nm spectral range with a sensitivity of 0.5 A/W at an optical radiation power of 50 mW [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 12. P. 3–12. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-12-3-12

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. P-i-n фотодиод спектрального диапазона 1300–1550 нм с диаметром приёмного окна 150 мкм для приёма мощного оптического сигнала. Цель работы. Оптимизация конструкции фотодиода спектрального диапазона 1300–1550 нм для достижения повышенной фоточувствительности при повышенных значениях входной мощности оптического излучения. Метод. Исследование статических характеристик фотодиода с помощью ручной зондовой станции MPI TS150 и источника-измерителя Keithley 2611B. Построение модели и численное моделирование статических характеристик фотодиода путём решения системы дифференциальных уравнений методами конечных элементов и объёмов в программном пакете COMSOL Multiphysics. Основные результаты. В работе исследованы статические характеристики p-i-n фотодиода спектрального диапазона 1300–1550 нм и построена численная модель расчёта статических характеристик p-i-n фотодиода с учётом тепловых распределений при поглощении излучения лазера. Предложена планарная оптимизированная конструкция p-i-n фотодиода с увеличенной токовой чувствительностью для высоких входных мощностей оптического излучения. Токовая чувствительность предложенной конструкции p-i-n фотодиода составляет 1,02–0,50 А/Вт в диапазоне мощностей 1–50 мВт, темновой ток не превышает 15 нА при напряжении обратного смещения –3 В. Практическая значимость. Разработанная в работе конструкция p-i-n фотодиода с увеличенной токовой чувствительностью при высоких входных мощностях оптического излучения может быть использована для увеличения динамического диапазона и эффективности передачи мощного оптического сигнала в волоконно-оптических линиях.

Ключевые слова:

p-i-n фотодиод, фоточувствительность, численная модель, COMSOL Multiphysics, гетероструктура, волоконно-оптические линии

Благодарность:

работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, проект тематики научных исследований № 2019-1442

Коды OCIS: 230.5170, 250.0040, 040.3060

Список источников:

1. Seeds A.J., Williams K.J. Microwave photonics // Journal of Lightwave Technology. 2006. V. 24. № 12. P. 4628–4641. https://doi.org/10.1109/JLT.2006.885787
2. Малышев С.А., Чиж А.Л., Микитчук К.Б. Волоконно-оптические лазерные и фотодиодные модули СВЧ диапазона и системы радиофотоники на их основе // Тез. докл. IV Всерос. конф. «Электроника и микроэлектроника СВЧ». СПб., Россия. 01–04 июня 2015. С. 10–18.
Malyshev S.A., Chizh A.L., Mikitchuk K.B. Fiber-optic laser and photodiode modules of the SHF range and radiophotonics systems based on them [in Russian] // IV All-Russian Conf. «SHF Electronics and microelectronics» (Abstracts of Reports). Saint-Petersburg, Russia. June 01–04, 2015. P. 10–18.
3. Ridgway R.W., Dohrman C.L., Conway J.A. Microwave photonics programs at DARPA // Journal of Lightwave Technology. 2014. V. 32. № 20. P. 3428–3439. https://doi.org/10.1109/JLT.2014.2326395
4. Чистохин И.Б., Журавлев К.С. СВЧ фотодетекторы для аналоговой оптоволоконной связи // Успехи прикладной физики. 2015. Т. 3. № 1. С. 85–94.
Chistokhin I.B., Zhuravlev K.S. Microwave photodetectors for analog fiber optic communications [in Russian] // Advances in Applied Physics. 2015. V. 3. № 1. P. 85–94.
5. Taylor J.A., Datta S., Hati A., Nelson C.W., Quinlan F.J., Joshi A.M., Diddams S.A. Characterization of powerto-phase conversion in high-speed p-i-n photodiodes // IEEE Photonics Journal. 2011. V. 3. № 1. P. 140–151. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2011.2109703
6. Kolodeznyi E.S., Novikov I.I., Gladyshev A.G., Rochas S.S., Sharipo K.D., Karachinskiy L.A., Egorov A.Yu., Bougrov V.E. Study of antireflection coatings for highspeed 1.3–1.55 μm InGaAs/InP PIN photodetector // Materials Physics and Mechanics. 2017. V. 32. № 2. P. 194–197. https://doi.org/10.18720/MPM.3222017_11
7. Rochas S.S., Kovach Y.N., Kopytov P.E., Kremleva A.V., Egorov A.Yu. Review on single-mode verticalcavity surface-emitting lasers for high-speed data transfer // Rev. Adv. Mater. Technol. 2022. V. 4. № 4. P. 1–16. https://doi.org/10.17586/2687-0568-2022-4-4-1-16
8. Chen C.-L. Elements of optoelectronics fiber optics. Chicago: IRWIN, 1996. 595 p.
9. Ghandiparsi S., Elrefaie A.F., Mayet A.S., Landolsi T., Bartolo-Perez C., Cansizoglu H., Gao Y., Mamtaz H.H., Golgir H.R., Devine E.P., Yamada T., Wang S.-Y., Islam M.S. High-speed high-efficiency photon-trapping broadband silicon p-i-n photodiodes for short-reach optical interconnects in data centers // Journal of Lightwave Technology. 2019. V. 37. № 23. P. 5748–5755. https://doi.org/10.1109/JLT.2019.2937906
10. Inoue D., Wan Y., Jung D., Norman J., Shang C., Nishhiyama N., Arai S., Gossard A.C., Bowers J.E. Lowdark current 10 Gbit/s operation of InAs/InGaAs quantum dot p-i-n photodiode grown on on-axis (001) GaP/Si // Applied Physics Letters. 2018. V. 113. № 9. P. 093506. https://doi.org/10.1063/1.5041908
11. Duan X., Huang Y., Ren X., Shang Y., Fan X., Hu F. Highefficiency InGaAs/InP photodetector incorporating SOIbased concentric circular subwavelength gratings // IEEE Photonics Technology Letters. 2012. V. 24. № 10. P. 863–865. https://doi.org/10.1109/LPT.2012.2189559
12. Rochas S.S., Kolodeznyi E.S., Kozyreva O.A., Voropaev K.O., Sudas D.P., Novikov I.I., Egorov A.Yu. A heterostructure for resonant-cavity GaAs p-i-n photodiode with 840–860 nm wavelength // Journal of Physics: Conference Series. 2019. V. 1236. P. 012071. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1236/1/012071
13. Стерлинг Д.Дж. Техническое руководство по волоконной оптике // 2-е изд. Перевод с англ. Московченко А. Под ред. Кузьмина М. / М.: Лори, 2001. 181 с.
Sterling D.J. Technician’s guide to fiber optics. N.Y.: Thomson Delmar Learning, 1993. 279 p.
14. Sheng Z., Liu L., Brouckaert J., He S., Thourhout D.V. InGaAs p-i-n photodetectors integrated on silicon-oninsulator waveguides // Optics Express. 2010. V. 18. № 2. P. 1756–1761. https://doi.org/10.1364/OE.18.001756
15. Chang S.-H., Fang Y.-K., Ting S.-F., Chen S.-F., Lin C.-Y., Wu C.-W. Ultra high performance planar InGaAs p-i-n photodiodes for high speed optical fiber communication // Sensors and Actuators A: Physical. 2007. V. 133. № 1. P. 9–12. https://doi.org/10.1016/j.sna.2006.04.023
16. Курташ В.А., Егоренков А.А. Исследование оптических свойств структур фотокатода InP/InGaAs/InP // Материалы XI ежегодной научно-технической конференции молодых специалистов «Техника и технология современной фотоэлектроники». СПб., Россия. 14–15 апреля 2020. Базовый научный центр АО ЦНИИ «Электрон» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.niielectron.ru/issledovanieopticheskih-svojstv-struktur-fotokatoda-inp-ingaasinp/ (дата обращения 31.07.2023)
Kurtash V.A., Egorenkov A.A. Investigation of optical properties of InP/InGaAs/InP photocathode structures [in Russian] // XI Annual Scientific and Technical Conference of young specialists «Technics and technology of modern photoelectronics» (Abstracs of reports). Saint-Petersburg, Russia. April 14–15, 2020. Basic scientific center JCS «NRI Electron» [Electronic resource]. Access mode: http://www.niielectron.ru/ issledovanie-opticheskih-svojstv-struktur-fotokatodainp-ingaas-inp/, free. In Russian (accessed 31/07/2023)
17. Jaffe G.R., Mei S., Boyle C., Kirch J.D., Savage D.E., Botez D., Mawst L.J., Knezevic I., Lagally M.G, Eriksson M.A. Measurements of the thermal resistivity of InAlAs, InGaAs, and InAlAs/InGaAs superlattices // ACS Applied Materials & Interfaces. 2019. V. 11. № 12. P. 11970–11975. https://doi.org/10.1021/acsami. 8b17268
18. Braga O.M., Delfino C.A., Kawabata R.M.S., Pinto L.D., Vieira G.S., Pire M.P., Souza P.L., Marega E., Carlin J.A., Krishna S. Surface passivation of InGaAs/InP p-i-n photodiodes using epitaxial regrowth of InP // IEEE Sensors Journal. 2020. V. 20. № 16. P. 9234–9244. https://doi.org/10.1109/JSEN.2020.2987006
19. Yin D., He T., Han Q., Lü Q., Zhang Y., Yang X. Highresponsivity 40 Gbit/s InGaAs/InP p-i-n photodetectors integrated on silicon-on-insulator waveguide circuits // Journal of Semiconductors. 2016. V. 37. № 11. P. 114006. https://doi.org/10.1088/1674-4926/37/11/114006