Ge/SiO2光栅增强型Si基Ge光电探测器的研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61604146
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    22.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0403.半导体光电子器件与集成
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2019-12-31

项目摘要

High performance top-illuminated Si-based Ge photodetector is a key device in Si-based optoelectronic filed. However, there are two disadvantages deteriorating the performance of the top-illuminated Si-based Ge photodetector: high dark current and the conflict between responsivity and bandwidth. The latter disadvantage prevent the top-illuminated Si-based Ge photodetector from obtaining high responsivity and high bandwidth at the same time. This project proposes a novel Ge/SiO2 grating enhanced Si-based Ge photodetector. To reduce dark current, high quality Ge will be micro-nano-scale selective grown in the gaps of a SiO2 grating on Si using ‘bottleneck effect’ of dislocation. Here, Ge is not only prepared as the light absorption material, but also combined with the SiO2 grating to be Ge/SiO2 high-index-contrast grating at the same time. This Ge/SiO2 grating is used to relax the conflict between responsivity and bandwidth by modulate the illuminated light field for increasing the light absorption in the thin Ge film. This project will research the mechanism of the illuminated light modulated by Ge/SiO2 grating, and the creation, transference, and evolvement of dislocations in Ge by selective epitaxy. The technology to selective epitaxial high quality Ge, the main origins and control methods of the dark current of the Ge/SiO2 grating enhanced Si-based Ge photodetector will be obtained. Top-illuminated grating enhanced Si-based Ge photodetector with low dark current density, high-responsivity, and high-bandwidth will be fabricated.
高性能的面入射Si基Ge光电探测器是Si基光电子领域不可或缺的核心器件,但目前的面入射Si基Ge探测器存在暗电流大以及受响应度和带宽之间相互制约而难以同时提高响应度和带宽,因而影响器件性能的进一步提高。本项目提出一种新颖的Ge/SiO2光栅增强型Si基Ge光电探测器结构。利用微纳尺度选择外延的位错截止效应,在SiO2光栅图形Si衬底上的空隙间生长高质量的Ge,以降低位错导致的暗电流。Ge作为光吸收材料的同时,与SiO2光栅构成Ge/SiO2高折射率差光栅,利用该光栅对入射光的调制作用增强薄层Ge的光吸收,以减缓响应度与带宽之间的相互制约。项目将重点研究该光栅对入射光场的调控机理;探明微纳光栅图形衬底上选区外延Ge时位错的产生、迁移和演化规律,获得高质量Ge的选区外延技术;掌握该Ge光电探测器的暗电流主要来源和抑制方法;研制出低暗电流、高响应、高带宽的光栅增强型面入射Si基Ge光电探测器。

结项摘要

随着硅基微电子器件尺寸的不断缩小,集成芯片中的电互连成为其性能提高的瓶颈。硅基光互连具有高速度、高带宽、低功耗、低成本等特点,被认为是解决电互连性能瓶颈的最有潜力的方案之一。在硅基光互连所需的器件中,锗硅近红外光电探测器及其阵列是完成光信号高速接收的核心器件。目前,锗硅探测器的研究主要集中在提高器件响应度、带宽,降低暗电流,以及提升和其他硅基器件的工艺兼容性。本工作主要有以下几个方面。研究了SOI 上的Ge/SiO2光栅的结构参数对器件性能的影响,获得优化的器件结构,设计出了高响应、高带宽的面入射Ge/SiO2光电探测器。器件的光栅周期为13和16时,光吸收效率可达到65%,带宽可以分别达到80 GHz和60GHz。采用选区外延、原位高温退火和原位硅原子层钝化等工艺有效地提高了硅基锗外延层的晶体质量,并制备出了高性能的面入射探测器,暗电流密度仅为4.6 mA/cm2,响应度分别为0.59A/W@1310nm和0.27A/W@1550nm,带宽达到48GHz,零偏压下即可实现40Gbps的光信号接收。制备出了高性能的波导型锗硅探测器,响应度为0.82A/W@1550nm,器件的3-dB带宽达到32GHz,在零偏压下即可实现40和50Gbps的光信号接收。我们将该波导型锗硅探测器阵列与25通道硅基阵列波导光栅(AWG)进行了片上集成,研制成波分复用光接收器芯片。该光接收芯片单通道可以实现50Gbps的数据接收,25通道的数据接收总量达到1.25Tbps。本研究为高性能锗硅探测器的研究提供了新的思路和方案支持,为硅基光电子集成提供了技术积累。

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(3)
Enhanced light trapping in Ge-on-Si-on-insulator photodetector by guided mode resonance effect
通过导模共振效应增强绝缘体上硅基Ge光电探测器的光捕获
  • DOI:
    10.1063/1.5031453
  • 发表时间:
    2018-08
  • 期刊:
    JOURNAL OF APPLIED PHYSICS
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    Zhi Liu;Jietao Liu;Buwen Cheng;Jun Zheng;Chuanbo Li;Chunlai Xue;Qiming Wang
  • 通讯作者:
    Qiming Wang
25 x 50 Gbps wavelength division multiplexing silicon photonics receiver chip based on a silicon nanowire-arrayed waveguide grating
基于硅纳米线阵列波导光栅的 25 x 50 Gbps 波分复用硅光子接收器芯片
  • DOI:
    10.1364/prj.7.000659
  • 发表时间:
    2019-06-01
  • 期刊:
    PHOTONICS RESEARCH
  • 影响因子:
    7.6
  • 作者:
    Liu, Zhi;Zhang, Jiashun;Cheng, Buwen
  • 通讯作者:
    Cheng, Buwen
Defect-free high Sn-content GeSn on insulator grown by rapid melting growth.
通过快速熔化生长在绝缘体上生长无缺陷的高 Sn 含量 GeSn
  • DOI:
    10.1038/srep38386
  • 发表时间:
    2016-12-12
  • 期刊:
    Scientific reports
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Liu Z;Cong H;Yang F;Li C;Zheng J;Xue C;Zuo Y;Cheng B;Wang Q
  • 通讯作者:
    Wang Q
Silicon Based GeSn p-i-n Photodetector for SWIR Detection
用于 SWIR 检测的硅基 GeSn p-i-n 光电探测器
  • DOI:
    10.1109/jphot.2016.2607687
  • 发表时间:
    2016-10-01
  • 期刊:
    IEEE PHOTONICS JOURNAL
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    Cong, Hui;Xue, Chunlai;Wang, Qiming
  • 通讯作者:
    Wang, Qiming
48 GHz High-Performance Ge-on-SOI Photodetector With Zero-Bias 40 Gbps Grown by Selective Epitaxial Growth
通过选择性外延生长实现零偏置 40 Gbps 的 48 GHz 高性能 Ge-on-SOI 光电探测器
  • DOI:
    10.1109/jlt.2017.2766266
  • 发表时间:
    2017-12-15
  • 期刊:
    JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    Liu, Zhi;Yang, Fan;Wang, Qiming
  • 通讯作者:
    Wang, Qiming

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其他文献

基于大数据的师范生数据素养培养策略研究
  • DOI:
    10.13811/j.cnki.eer.2017.12.013
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    电化教育研究
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张斌;刘三女牙;刘智;孙建文
  • 通讯作者:
    孙建文
中药注射剂安全性医院集中监测研究数据管理内容与要点
  • DOI:
    10.11842/wst.2016.12.009
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    中药注射剂 安全性 集中监测 数据管理
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘智;郑文科;张俊华;翟静波;曹红波;刘春香;王辉
  • 通讯作者:
    王辉
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    黄文;赵涵;陆宏;刘智;肖冰冰;秦泗吉
  • 通讯作者:
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兰科药用植物共生真菌促进种子萌发研究进展
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    高燕燕;杭烨;刘剑东;李扬;刘智;李林;田海露;张明生
  • 通讯作者:
    张明生
蜕皮甾酮对家兔蛛网膜下腔出血后神经损害的影响
  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    解放军医学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘智;陈渝杰;陈志;唐卫华;朱刚;王宪荣;冯华
  • 通讯作者:
    冯华

其他文献

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刘智的其他基金

快速熔融法制备硅基锗锡及激光器的研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2019
  • 资助金额:
    59 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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