具有波长选择性的高速可见光硅基探测芯片的理论与关键技术研究

In recent years, visible light communication (VLC) has attracted high attention in the field of communication at home and abroad due to its advantages such as high transmission speed, good security, high confidentiality, green environmental protection, and no need for spectrum authorization. The use of VLC technology can greatly expand the existing wireless spectrum resources and effectively alleviate the urgent need for resources to be exhausted. At present, there is little research on the receiving technology of VLC systems. Silicon-based visible light detectors have low blue light quantum efficiency, narrow response bandwidth, small photosensitive area, and poor wavelength selectivity, which limit the development of VLC systems. According to the technical requirements of high-speed visible light communication systems for visible light detectors, this application innovatively proposes to design a micro-nano photonic structure on the surface or in the absorption layer of a new type of detection chip to improve the blue light quantum efficiency, response bandwidth and wavelength selectivite of the detector. The detection chip is split into arrays to improve the response bandwidth and photosensitive area of the detector, and the theoretical modeling, simulation optimization and key process research are carried out in a targeted manner. In the end, the design theory of wavelength-selective high-speed visible light silicon-based detection chip was theoretically obtained. In combination with MOEMS technology, a wavelength-selective chip urgently needed by visible light detectors was developed.

近年来，由于可见光通信（VLC）具有传输速度高、安全性好、保密性高、绿色环保、频谱无需授权等优点，使其在国内外通信领域引起了高度关注。VLC技术的使用，能够大大拓展现有的无线频谱资源，有效缓解资源即将耗尽的燃眉之急。目前，VLC系统的接收技术相关的研究甚少。硅基可见光探测器蓝光量子效率低、响应带宽窄、光敏面积小和波长选择性差等问题限制了的VLC系统发展。本申请针对高速可见光通信系统对可见光探测器的技术要求，创新性的提出采用在新型探测芯片表面或吸收层中设计微纳光学结构提高探测器蓝的光量子效率、响应带宽和波长选择性，采用将探测芯片阵列化等手段来提高探测器的响应带宽和光敏面积，针对性的开展理论建模、仿真优化和关键工艺研究，最终在理论上构建具有波长选择性的高速可见光硅基探测芯片的设计理论，在应用上结合微光机电系统（MOEMS）技术，研制出可见光探测器迫切需求的具有波长选择性的芯片。

可见光通信是利用半导体照明或者显示（LED灯）的光线实现“有光就能上网”的新型高速数据传输技术。数百亿的LED照明设备与其他设备融合将构筑一个巨大的可见光通信。可以设想，未来实现大规模可见光通信后，每盏灯都可以当做一个高速网络热点，人们等车的时候在路灯下就可以下载几部电影，在飞机、高铁上也可以借助LED光源无线高速上网，满足室内网、物联网、车联网、安全支付、智慧城市、国防通信、武器装备、电磁敏感区域等网络末端无线通信需求，为“互联网+”提供一种崭新的廉价接入方法。. 本研究一方面主要针对可见光硅基探测芯片的理论进行研究及具有高响应带宽、高量子效率结构的进行设计，利用半导体基本方程设计探测芯片各膜层的掺杂浓度，得到具有高效率的探测芯片，选取器件的结构参数为：表面非耗尽层厚度为0.03μm，掺杂浓度1.0×1018 cm−3； 吸收层厚度为1.3 μm，掺杂浓度为1.0×1015 cm−3；场控层厚度为0.2μm，掺杂浓度8.0×1016 cm−3；倍增层厚度为0.5μm，掺杂浓度为1.8×1016 cm−3。该器件具有较低的击穿电压Vbr-apd=34.2 V, 当Vapd=0.95 Vbr-apd在蓝光波段有较高的光响应度SR=3.72~6.08 A·W−1。为后续制备器件提供一定的参考。另一方面针对高速可见光硅基探测芯片的波长选择性进行理论研究与工艺实验研究，通过模拟和实验验证了NH-A对Si蓝光吸收的增强作用。基于FDTD数值计算和反复优化，NH-A的结构参数选取为f = 45%，P = 400 nm，d = 0.5 μm。根据这些结构参数制备了一种NH-A，根据实验结果，Si/NH在蓝色波段的吸光度为ASi-NH > 0.91，平均光吸收增益Gabs (ave)≈0.63。根据分析光传输原理，设计出具有蓝光波长选择性的结构：f = 20%，P = 450 nm，d = 1 μm。根据结构参数利用FDTD进行仿真得到在450-500nm时光吸收率大于80%，而其他波段光吸收率小于60%.最后利用阵列化分割扩大了探测芯片的光敏面，并对关键性实验进行了研究。. 本项目完成了计划书中的研究内容，申请国家发明专利4项；发表学术论文3篇，其中SCI检索2篇，EI检索1篇；培养博士研究生共2名