微纳结构半导体光探测器

本书以微纳结构半导体光探测器为主要研究对象，全面阐述了微纳结构半导体光探测器的理论设计方法、制备工艺及测试方法，较为系统、完整地介绍了基于不同类型微纳结构半导体光探测器的性能指标、应用以及未来的发展趋势。通过阅读本书，读者可以比较全面地了解相关的原理技术和应用前景。本书的内容将为基于新结构、新工艺的新型半导体光探测器及其他光电子集成器件研究提供理论和应用基础，可供光学工程、光电信息科学与工程、通信工程等专业领域的高年级本科生或研究生学习和参考，对上述领域内从事研究、开发、生产的工程技术及研究人员也有重要的参考价值。

前言
第1章 绪论 1
1.1 半导体光电器件发展概述 1
1.2 半导体光探测器的研究现状 1
1.3 高速、高量子效率光探测器 2
1.3.1 PIN 光探测器 3
1.3.2 单行载流子光探测器 4
1.3.3 其他高性能光探测器 5
参考文献 10
第2章 半导体光电器件基础 13
2.1 半导体物理基本知识 13
2.1.1 基本晶体结构 14
2.1.2 半导体中的能级跃迁 16
2.2 半导体 PN 结的形成 18
2.2.1 半导体中的载流子 18
2.2.2 半导体的 PN 结 18
2.2.3 载流子的定向移动 20
2.3 光电集成技术 21
参考文献 22
第3章 微纳结构半导体光探测器的研究方法及分类 24
3.1 光探测器的工作原理与性能指标 24
3.1.1 光探测器的工作原理 24
3.1.2 量子效率与响应度 26
3.1.3 频率响应与 3dB 带宽 26
3.1.4 噪声 30
3.1.5 饱和特性 32
3.2 设计分析方法 35
3.2.1 麦克斯韦方程组 36
3.2.2 泊松方程 38
3.2.3 载流子输运方程 39
3.2.4 连续性方程 39
3.3 主要物理模型 40
3.3.1 载流子统计模型 40
3.3.2 载流子迁移模型 41
3.3.3 载流子复合模型 42
3.4 同质集成的微纳结构半导体光探测器 44
3.4.1 一镜斜置三镜腔型光探测器 44
3.4.2 四镜三腔型光探测器 45
3.4.3 蘑菇型光探测器 49
3.4.4 金字塔型光探测器 51
3.4.5 微环结构光探测器 56
3.5 异质集成的微纳结构半导体光探测器 58
3.5.1 透镜集成光探测器 58
3.5.2 集成亚波长光栅光探测器 63
3.5.3 集成分束器的光探测器阵列 64
3.5.4 等离子体光探测器 66
3.5.5 MSM 光探测器 68
参考文献 69
第4章 微纳结构半导体光探测器的仿真分析 74
4.1 入射光场分布对光探测器性能的影响 74
4.1.1 入射光场分布对 PIN 光探测器的影响 76
4.1.2 入射光场分布对 UTC 光探测器的影响 81
4.1.3 入射光场分布对微纳结构光探测器的影响 84
4.2 基于亚波长光栅的 RCE 微纳结构光探测器 85
4.2.1 亚波长光栅的理论方法 85
4.2.2 RCE 光探测器的性能分析 94
4.2.3 周期型 HCSG-RCE 光探测器的设计与仿真 99
4.2.4 非周期型 HCSG-RCE 光探测器的设计与仿真 104
4.2.5 HCSG-RCE 光探测器的设计与仿真 112
4.3 V-型槽微纳结构 PIN 光探测器 116
4.3.1 V-型槽对入射光场影响的分析 117
4.3.2 V-型槽对量子效率影响的分析 120
4.3.3 V-型槽对频率响应影响的分析 123
4.3.4 “方向盘” 型电极的仿真分析 125
参考文献 132
第5章 微纳结构半导体光探测器制备工艺与测试 135
5.1 薄膜制备工艺及质量表征 135
5.1.1 外延技术 135
5.1.2 外延片质量表征及检测 136
5.2 微纳结构光探测器制备的关键技术步骤 138
5.2.1 光刻技术 138
5.2.2 刻蚀技术 139
5.2.3 镀电极技术 141
5.3 基于倒锥及 V-型槽结构 PIN 光探测器的制备 141
5.3.1 器件的结构及分析 141
5.3.2 器件的外延生长与制备 143
5.3.3 器件的测试与分析 148
5.4 基于锥形吸收腔微纳结构光探测器的制备 150
5.4.1 器件的结构及分析 150
5.4.2 器件的外延生长与制备 151
5.4.3 器件的测试与分析 152
5.5 基于 SOI 同心环光栅的蘑菇型台面 PIN 光探测器的制备 153
5.5.1 器件的结构及分析 153
5.5.2 器件的外延生长与制备 154
5.5.3 器件的测试与分析 155
5.6 周期 HCSG-RCE 光探测器 156
5.6.1 器件的结构及分析 156
5.6.2 器件的外延生长与制备 157
5.6.3 器件的测试与分析 160
5.6.4 小结 161
参考文献 161
第6章 微纳结构半导体光探测器的应用 163
6.1 现代高速光通信系统 163
6.1.1 波分复用光接入网系统 163
6.1.2 相干检测主干传输网系统 165
6.1.3 数据中心光互联系统 168
6.1.4 宽带射频信号光传输系统 169
6.2 可重构光网络 171
6.2.1 基于波长阻断器的 ROADM 171
6.2.2 基于平面光波导的 ROADM 172
6.2.3 基于波长选择器的 ROADM 173
6.3 6G 光通信网络 174
6.3.1 THz 技术中的半导体微结构光探测器 174
6.3.2 AI“智慧传输” 与半导体微结构光探测器 178
6.4 绿色光网络 179
参考文献 180
第7章 微纳结构半导体光探测器的发展趋势 186
7.1 微纳结构半导体光探测器的新结构 186
7.1.1 超高带宽光探测器 186
7.1.2 可穿戴柔性光探测器 187
7.1.3 超透镜阵列光探测器 189
7.2 微纳结构半导体光探测器的新材料 190
7.2.1 黑硅光探测器 190
7.2.2 石墨烯光探测器 192
7.2.3 高维超表面集成光探测器及阵列 193
7.3 微纳结构半导体光探测器的新技术 196
7.3.1 基于逆向设计的半导体光探测器 196
7.3.2 基于光子捕获结构的半导体光探测器 198
7.3.3 基于超表面集成的半导体光探测器 199
7.3.4 基于表面等离激元的半导体光探测器 201
参考文献 202