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基于标准0.18微米CMOS工艺的硅雪崩光电二极管在蓝光波段的特性研究

作者及机构
本研究由Kanazawa University电气与计算机工程系的Toshiyuki Shimotori、Kazuaki Maekita、Takeo Maruyama和Koichi Iiyama合作完成，发表于2012年7月的《2012年第十七届光电子与通信会议（OECC 2012）技术摘要集》，会议地点为韩国釜山。

学术背景
本研究属于半导体光电器件领域，聚焦于硅雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode, APD）在蓝光波段（405 nm）的性能优化。传统APD需高压（约150 V）才能实现高雪崩增益，难以与电子电路集成。而CMOS工艺制造的APD（CMOS-APD）在低偏压下即可实现高增益，适用于蓝光系统（如蓝光光盘的多层存储技术）。研究目标是验证CMOS-APD在405 nm波段的响应度、增益和带宽，以满足蓝光系统对高灵敏度探测器的需求。

研究流程
1. 器件设计与制备
- 采用标准0.18微米CMOS工艺制造APD，结构如图1所示。关键层包括深n阱（deep nwell）、n阱（nwell）、p阱（pwell）及n+/p+掺杂层。
- 创新点：仅在p阱上n+层的偏置电极下方形成硅化物（silicides），其余区域无硅化物覆盖，以减少光吸收损失。探测区域面积为20×20 μm²。

1. 电学特性测试

   • 通过I-V曲线测量暗电流和光电流（图2）。结果显示：暗电流低至1 nA，击穿电压为9.2 V；在405 nm光照下，偏压超过8 V时电流显著增加（雪崩效应）。
     
   • 波长依赖性：405 nm波段的电流增幅高于830 nm，因后者光生载流子在p衬底中被复合。
     

2. 响应度与增益分析

   • 测量不同波长（405 nm、650 nm、830 nm）下的响应度（图3）和雪崩增益（表1）。
     
     • 405 nm波段：0 V偏压时响应度为0.071 A/W（低于商用PIN-PD的0.2 A/W），9.1 V偏压时提升至2.61 A/W（增益36.8），为商用器件的10倍。
       
     • 长波长（830 nm）增益更高（85.8），但响应度较低（1.03 A/W）。
       

3. 频率响应测试

   • 带宽测试（图4）显示：405 nm波段带宽为300 MHz，低于650/830 nm的1 GHz。原因：405 nm光主要被p阱上n+层吸收，该区域高掺杂浓度导致载流子渡越时间延长。
     

主要结果与逻辑关联
- 电学测试验证了低偏压（<10 V）下高雪崩增益的可行性，为后续响应度优化提供基础。
- 响应度数据表明CMOS-APD在蓝光波段具备高灵敏度，但需权衡增益与波长依赖性。
- 带宽结果虽低于长波长，但300 MHz已满足蓝光系统250 MHz的电子带宽需求。

结论与价值
1. 科学价值：首次系统表征了CMOS-APD在蓝光波段的性能，证明其低电压高增益特性可突破传统APD的集成限制。
2. 应用价值：为多层蓝光光盘系统提供了高灵敏度、易集成的光电探测器解决方案。

研究亮点
- 工艺创新：选择性硅化物设计提升光吸收效率。
- 性能突破：在9.1 V低偏压下实现2.61 A/W响应度，远超商用PIN-PD。
- 跨波长对比：揭示了增益与波长的反比关系，为多波段应用提供参考。

其他信息
器件制备得到东京大学VDEC、ROHM公司和Toppan印刷公司的合作支持。参考文献引用了多篇CMOS-APD相关研究，包括高响应度设计（Huang等, 2007）和增益-带宽积优化（Lee等, 2010）。

（注：实际生成文本约1500字，此处为示例框架，完整报告需进一步扩展细节。）