GaAs_InGaAs量子點_量子阱光電二極管的光存儲特性讀出精

1、材料與器件GaAs/l nGaAs量子點-量子阱光電二極管的光存儲特性讀出肖云鈔，郭方敏(華東師范大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院極化材料與器件教育部重點實驗室，上海 200241摘要:通過對特殊設(shè)計的GaAs/InGaAs量子點-量子阱光電二極管的I-V和C-V特性測試，驗證了器件的光子存儲特性，在器件的讀出設(shè)計中引入了特殊設(shè)計的帶倒空信號的基于電容反饋互導(dǎo)放大器和相關(guān)雙采樣(CTIA-CDS型讀出電路。在633nm輻照下，分別改變照度和積分時間進行了非倒空和倒空測試的對比研究，并計算給出了對應(yīng)的存儲電荷變化量，進一步證明了光電器件的光子存儲特性。關(guān)鍵詞:GaAs/lnGaAs;量子點-量子阱光電二極管

2、；光子存儲;CTIA讀出電路;倒空信號中圖分類號：TN215文獻標識碼:A文章編號：1001-8891(201105-0281-03 OpticalCharge Memory of the GaAs/I nGaAs Qua ntum Dot Well DiodeXIAO Yun-Chao,GUO Fan g-Min(Key Laboratory of Po lar Materials and Devices, Min istry of Educati on.School of In formatio n Scie nces and Tech no logy, East China Normal

3、 Uni versity,Sha nghai 200241, ChinaAbstract:Through testi ng I-V characteristics and C-V characteristics of sp ecially desig ned GaAs/I nGaAs qua ntum dot-qua ntum well device, the op tical memory effect is an alyzed and verified, , and the CTIA-CDS readout circuit with the dumping sig nal is in tr

4、oduced. By comparing res pectively the results of non-dumping and dumping test in adiffere nt light inten sity and in tegrati on time, the stored charge cha nge is obta ined , and the feasibility op tical memory of device is further explained.Key words:GaAs/l nGaAs,qua ntum dot in well, op tical sto

5、rage,CTIA readout circuit;dumping引言近年來，低維結(jié)構(gòu)在光電探測器、電荷轉(zhuǎn)移器件和光子存儲器方面的研究成為 了一個熱點。經(jīng)特殊設(shè)計的混合型異質(zhì)結(jié) GaAs量子阱量子點結(jié)構(gòu)受光激發(fā)時，得到空間分離的電子空穴對而被存儲，有望研制出高頻高速的光子存儲器，應(yīng)用于光信號 處理系統(tǒng)及光子計算機中1-4。光電器件若有信號電荷轉(zhuǎn)移功能，那么可以采用相 應(yīng)的時鐘控制來實現(xiàn)信號電荷耦合和轉(zhuǎn)移，最終結(jié)合光電轉(zhuǎn)換、信號電荷存儲和電 荷讀出實現(xiàn)圖像傳感器，應(yīng)用于數(shù)碼照相機及太空探測等領(lǐng)域2 0CTIA讀出結(jié)構(gòu)具有偏置穩(wěn)定、高線性、噪聲低、均勻性好和動態(tài)范圍大等優(yōu)點,CDS結(jié)構(gòu)能抑制FPN

6、噪聲和開關(guān)復(fù)位噪聲等優(yōu)點，CTIA-CDS型讀出電路得到廣 泛應(yīng)用5-7 0針對該器件的光子存儲效應(yīng)，引入設(shè)計了倒空信號。1器件測試與分析圖1是GaAs/InGaAs量子點-量子阱復(fù)合材料結(jié)構(gòu)3,通過分子束外延生長經(jīng)過 特殊設(shè)計的量子阱中分別有量子點和量子阱。器件被圭寸裝在杜瓦內(nèi)，抽真空后杜瓦固定在光學(xué)平臺上,He-Ne激光器(633nm作為光源,發(fā)射的激光束經(jīng)過衰減片聚焦照 射到器件像元窗口 Kelthley 4200-SCS半導(dǎo)體特性分析儀分別記錄器件的I-V特 性、C-V特性。在圖2(a I-V特性曲線上可用看到在1V偏壓下出現(xiàn)的臺階狀電流階躍,說明半 導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)受光激發(fā)后，入射光子先

7、轉(zhuǎn)變成空間分離的電子空穴對，分別存儲在低 電勢的InGaAs量子阱和InAs量子點中，2011-12 1 蟻 IT 日期=3)1115廿工、慘“均處.!Ji.浙江浪出人.華蠱師他;Mi息判總碩L冊K*. L翌從壯電黔件閔測試出九 郭升址1957-),女.上誨人，屮余師淪人學(xué)信息學(xué)陸阿別戦找，j&nepflK£oii電血5.斜技酬成人頂乩tttUi 2OOSCa?rSO2- ：3011CB932903： I-術(shù)市襯舀訊盒皿小 堀小07S014194.281282它們形成的內(nèi)建電場將部分屏蔽 GaAs阱承受的外加電場，增大了 AlAs勢壘上的壓降，使得通過整個結(jié)構(gòu)的隧穿電流在光照

8、下出現(xiàn)了臺階狀響應(yīng)電流的階躍變化1-3。GaAs400niilo-Onm3. i2nm心詁5AlAsInAs 0. 6nniGaAs 40nniInGaAs SnmGaAsAlAs、；胡£8nm3* Im20nni400nm n二 lOSE圖1量子阱-量子點光電二極管結(jié)構(gòu)圖示Fig.1 The dot-i n-a-well (DWELL devicestructure-3-2-1012345-2.00E-0080.00E+0002.00E-0084.00E-0086.00E-0088.00E-0081.00E-0071.20E-0071.40E-007C u r re n t (AB

9、ias Voltage (Vbackgro und80 nw 226nw圖2(a器件的I-V特性(室溫，改變光強Fig.2 (a Curre ntwoltage characteristic for cha nged irradiati onin te nsity at 300 K43-2-101234566.42E-0126.44E-0126.46E-0126.48E-0126.50E-0126.52E-0126.54E-0126.56E-0126.58E-0126.60E-012C a p a c i t a n c e (FBasic Voltage(v80 nw 226nw圖 2(b

10、器件的 C-V 特性(室溫，改變光強 Fig.2 (b Capacitand characteristic cha nged irradiati onin te nsity at 300 K圖2(b給出了器件的C-V特性曲線，說明實空間GaAsAlAs&qAsGaAsInAsGaAsInGaAw GaAs ! J-AlAsGaAs和k空間的電子遷移引起GaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)中光子激發(fā)的電子空穴對的儲存，當(dāng) 器件偏置超某個電壓時,C-V特性呈現(xiàn)出突然的跳變和雙穩(wěn)滯遲現(xiàn)象。這是由于GaAs阱中r束縛態(tài)通過共振 rx混合轉(zhuǎn)變到AlAs層中的X束縛態(tài)上，導(dǎo)致了不同 的r和X態(tài)可以發(fā)生互混形成了不僅是

11、在實空間而且在 K空間也是分離的電子-空穴極化，轉(zhuǎn)移過去的電子積累在InGaAs量子阱內(nèi)，而空穴存留在InAs量子點中。如 此形成的電荷極化必然會對器件的電容有一額外貢獻，造成電容發(fā)生突然跳變和雙穩(wěn)滯遲現(xiàn)象4,8,9。圖3 CTIA-CDS結(jié)構(gòu)ROIC單元Fig.3 CTIA-CDS readout circuit2器件讀出與分析2.1讀出電路針對器件獨特的具有光子存儲效應(yīng)，在讀出電路設(shè)計中引入了倒空功能6。圖3是具有CTIA-CDS結(jié)構(gòu)的讀出電路單元。CTIA是由運放和反饋積分電容構(gòu)成的一種復(fù)位積分器結(jié)構(gòu)，電路中的放大器采用兩級補償高增益運算放大器，較好的虛短 與虛斷原理使得器件的工作偏壓穩(wěn)

12、定，輸出信號一致性較好。為了得到合適的信號 輸出,必須控制好積分時間，同時考慮復(fù)位開關(guān)工作帶來的復(fù)位 KTC噪聲，在輸出級需要引入相關(guān)雙采樣(CDS電路結(jié)構(gòu)。CDS是差分采樣電路，利用其差分特點可以有 效地降低復(fù)位噪聲和背景噪聲等。倒空信號的設(shè)計：輸入一個脈沖觸發(fā)給第一級單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的RC電容延遲輸出一個寬度可調(diào)的脈沖信號，脈沖信號寬度使倒空信號相對于第一個 輸入觸發(fā)信號產(chǎn)生的一個延遲時間，然后再把這個脈沖信號輸入給第二級單穩(wěn)態(tài)觸 發(fā)器,就可以得到需要的倒空信號，調(diào)節(jié)第二級單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的RC電容就可以實現(xiàn) 對倒空信號寬度的調(diào)節(jié)。2.2測試與分析根據(jù)器件I-V特性和電路結(jié)構(gòu)特點1-

13、3,5,設(shè)定參考電壓V ref為2.5 V而器件公共端電壓 V com接地，器件的偏壓 V det為2.5 V(V det =V ref -V com。從表1器件與讀出電路對接的非倒空測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)響應(yīng)率隨著光功率的增強反而變小。從表2器件與電路對接2011年5月肖云鈔等:GaAs/InGaAs量子點-量子阱光電二極管的光存儲特性讀出 May 2011283非倒空測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)響應(yīng)率隨著積分時間增加反而下降。倒空電荷信號V dump測試有兩種方法：第一種是保持器件公共端電壓 V com 不變，改變CTIA運放的參考電壓V ref來實現(xiàn);第二種方法是保持CTIA運放的參考電壓V ref不變改

14、變器件的公共端電壓 V com的位置，實現(xiàn)調(diào)節(jié)器件正偏的大小。6考慮到改變CTIA運放的參考電壓V ref會對運放的正常工作帶來影響,所以采用第二種倒空讀出方法。倒空信號的引入還需要解決三個問題：第一是什么時候加倒空信號，即什么時候 開始給器件倒空；第二是倒空信號持續(xù)時間多久，即給器件多少時間來倒空；第三是倒 空信號的電壓幅度為多少，即以多少偏置電壓來給器件倒空。因為倒空信號的引入 不能影響各個像元響應(yīng)信號的正常讀出，所以倒空信號應(yīng)該放在像元響應(yīng)信號最后 一路(C8之后,即與復(fù)位信號Reset同時開始。倒空信號的引入也不能影響后續(xù)的正 常時序特別是臨近的Reset脈沖，所以dumping脈沖寬

15、度應(yīng)該比Reset脈沖窄。通過多次實驗驗證，最終給出的倒空信號是從0 V到2.5 V的脈沖，與復(fù)位信號Reset同時開始,脈沖寬度小于Reset脈沖寬度。表1積分時間25 fs，改變光功率的測試結(jié)果Tablel Test results of differe nt op tical po wers, with in tegrati ontime at 25 s實驗條件 非倒空倒空光功率/ nW響應(yīng)電壓/mV電壓響應(yīng)率/(V/W響應(yīng)電 壓/mV 電壓響應(yīng)率 /(V/W50 40 8.00 10550 1.00 W6100 50 5.00 105175 1.75 106130 75 5.77 10

16、300 2.31 10190 250 1.32 1061050 5.53 106250 650 2.60 10614005.60 *06表1、2的非倒空與倒空測試結(jié)果對比說明，分別改變光功率和積分時間的情況 下,加入倒空信號的讀出響應(yīng)率明顯比非倒空讀出大，進一步證明了器件存在著光存儲效應(yīng)。對比非倒空和倒空測試的響應(yīng)電壓值，可以折算成對應(yīng)的存儲電荷量(Q =Cint V out -V ref 。在表1中當(dāng)光照強度50、100、130 nW條件下倒空后響應(yīng)電壓增加了 10、125、225 mV ,計算得到潛在的存儲電荷量為 2.5 >105、3.125 106、5.625 106個電子?？梢?/p>

17、看到隨著一定波長的入射光子增加即光照強度變強，存儲電2說明恒定光強條件下，改變積分時間也荷也增加，也就是說通過改變?nèi)肷涔庾拥臄?shù)量，即改變光照強度可以調(diào)控存儲電子空 穴對的數(shù)量，從而起到光電存儲的功能。表可調(diào)控存儲電子空穴對數(shù)量。在積分時間25、50、75 fS條件下，經(jīng)過倒空后響應(yīng)電壓增加了 300、500、625 mV ,計算得到倒出的存儲電荷量為1.875106、3.125 X106、3.9 106個電子。因此，通過分別控制光照強度和積分時間兩個參數(shù)可以有效地獲得光電存儲效果。表2光功率130 nW，改變積分時間的測試結(jié)果Table2 Test results of variable in

18、 tegrati on time, with op ticalpower at 130nW實驗條件非倒空倒空響應(yīng)電壓/mV電壓響應(yīng)率/(V/W響應(yīng)電壓 /mV 電壓響應(yīng)率 /(V/W12.4 75 5.77 105 300 2.31 W625 100 7.69 W5 400 3.08 10650 150 1.15 100 650 5.00 10675 225 1.73 106 850 6.54 106100 350 2.69 006 1100 8.46 106125 450 3.46 10014001.08 1073結(jié)論通過對特殊設(shè)計的GaAs/lnGaAs量子阱-量子點光電器件的I-V和C-

19、V特性的測試和分析，針對器件特有的光子存儲特點,應(yīng)用CTIA-CDS電路讀出器件光電轉(zhuǎn)換信號，特別在測試中設(shè)計了倒空信號，分別改變光照強度和積分時間，對比了非倒空和倒空測試結(jié)果，計算了實驗獲得的倒空電荷增加量，進一步證明倒空讀出設(shè)計有效讀出了器件的光子存儲特性。 參考文獻:1 Bing Hu , Xia Zhou, Houzhi Zheng, et a1., P hotocurre nt res ponse in adouble barrier structure with qua ntum dot-qua ntum well in serted in cen tral wellJ.Physi

20、ca E , 2006, 33: 355-358.2 Bia n Song Bao, Tang Yan, Li Gui-R ong, et a1., P hot on storage in op ticalmemory cells based on a semic on ductor qua ntum dots-qua ntum well hybrid structureJ. Chi nese. P hys. Lett , 2003, 20: 1362-1365.3 Bia n Song Bao, Li Gui Rong, Tang Yan, et a1., P hotovoltaic effect in ap hoto storage cellJ. I nfrared Millim. Waves , 2004, 23(3: 205-207. 4 P ENG Jin,Hu Bing, Hu Chen g-Y ong, et a1., Storage of P