GaAs_InGaAs量子點_量子阱光電二極管的光存儲特性讀出

1、材料與器件GaAs/InGaAs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(華東師范大學信息科學技術學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,在器件的讀出設計中引入了特殊設計的帶倒空信號的基于電容反饋互導放大器和相關雙采樣(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。關鍵詞:GaAs/InGaAs;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 Optical Charge Memory of the GaAs/InGaAs Quantum Dot Well DiodeXIAO Yun-Chao,GUO Fang-Min(Key Laboratory of Polar Materials and Devices, Ministry of Education,School of Information Sciences and Technology, East China Normal Univers

3、ity, Shanghai 200241, ChinaAbstract:Through testing I-V characteristics and C-V characteristics of specially designed GaAs/InGaAs quantum dot-quantum well device, the optical memory effect is analyzed and verified, , and the CTIA-CDS readout circuit with the dumping signal is introduced. By comparin

4、g respectively the results of non-dumping and dumping test in a different light intensity and integration time, the stored charge change is obtained , and the feasibility optical memory of device is further explained.Key words:GaAs/InGaAs,quantum dot in well,optical storage,CTIA readout circuit; dum

5、ping引言近年來,低維結構在光電探測器、電荷轉移器件和光子存儲器方面的研究成為了一個熱點。經特殊設計的混合型異質結GaAs量子阱量子點結構受光激發(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移功能,那么可以采用相應的時鐘控制來實現信號電荷耦合和轉移,最終結合光電轉換、信號電荷存儲和電荷讀出實現圖像傳感器,應用于數碼照相機及太空探測等領域2。CTIA讀出結構具有偏置穩(wěn)定、高線性、噪聲低、均勻性好和動態(tài)范圍大等優(yōu)點,CDS結構能抑制FPN 噪聲和開關復位噪聲等優(yōu)點,CTIA-CDS型讀出電路得到廣泛應用5-

6、7。針對該器件的光子存儲效應,引入設計了倒空信號。1 器件測試與分析圖1是GaAs/InGaAs量子點-量子阱復合材料結構3,通過分子束外延生長經過特殊設計的量子阱中分別有量子點和量子阱。器件被封裝在杜瓦內,抽真空后杜瓦固定在光學平臺上,He-Ne激光器(633nm作為光源,發(fā)射的激光束經過衰減片聚焦照射到器件像元窗口,Kelthley 4200-SCS半導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偏壓下出現的臺階狀電流階躍,說明半導體低維結構受光激發(fā)后,入射光子先轉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

7、中, 281282 它們形成的內建電場將部分屏蔽GaAs 阱承受的外加電場,增大了AlAs 勢壘上的壓降,使得通過整個結構的隧穿電流在光照下出現了臺階狀響應電流的階躍變化1-3。 圖1 量子阱-量子點光電二極管結構圖示 Fig.1 The dot-in-a-well (DWELL device structure-3-2-1012345-2.00E-0080.00E+0002.00E-0084.00E-0086.00E-0088.00E-0081.00E-0071.20E-0071.40E-007C u r r e n t (A Bias Voltage (Vbackground80nw 22

8、6nw圖2(a 器件的I-V 特性(室溫,改變光強Fig.2 (a Currentvoltage characteristic for changed irradiationintensity at 300 K-4-3-2-101234566.42E-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 (F Basic Voltage(v80nw 226nw圖2(b 器件的C-V 特性(室溫,改變光強 Fig.2 (b Capacita

9、nceV characteristic changed irradiationintensity at 300 K圖2(b給出了器件的C-V 特性曲線,說明實空間 和k 空間的電子遷移引起GaAs 異質結構中光子激發(fā)的電子空穴對的儲存,當器件偏置超某個電壓時,C-V 特性呈現出突然的跳變和雙穩(wěn)滯遲現象。這是由于GaAs 阱中束縛態(tài)通過共振-X 混合轉變到AlAs 層中的X 束縛態(tài)上,導致了不同的和X 態(tài)可以發(fā)生互混形成了不僅是在實空間而且在K 空間也是分離的電子-空穴極化,轉移過去的電子積累在InGaAs 量子阱內,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

10、獻,造成電容發(fā)生突然跳變和雙穩(wěn)滯遲現象4,8,9。圖3 CTIA-CDS 結構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,在讀出電路設計中引入了倒空功能6。圖3是具有CTIA-CDS 結構的讀出電路單元。CTIA 是由運放和反饋積分電容構成的一種復位積分器結構,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)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,同時考慮復位開關工作帶來的復位KTC 噪聲,在輸出級需要引入相關雙采樣(CDS 電路結構。

11、CDS 是差分采樣電路,利用其差分特點可以有效地降低復位噪聲和背景噪聲等。倒空信號的設計: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,調節(jié)第二級單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的RC 電容就可以實現對倒空信號寬度的調節(jié)。 2.2 測試與分析根據器件I-V 特性和電路結構特點1-3,5,設定參考電壓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

12、 。從表1器件與讀出電路對接的非倒空測試數據可以發(fā)現響應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非倒空測試數據可以發(fā)現響應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;第二種方法是保持CTIA 運放的參考電壓V ref 不變,改變器件的公共端電壓V com 的位置,實現調節(jié)器件正偏的大小?？紤]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

13、,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信號的正常讀出,所以倒空信號應該放在像元響應信號最后一路(C8之后,即與復位信號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 脈沖寬度應該比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,與復位信號Reset 同時開始,脈沖寬

14、度小于Reset 脈沖寬度。表1 積分時間25 µs ,改變光功率的測試結果Table1 Test results of different optical powers, with integrationtime at 25 µs 實驗條件 非倒空 倒空光功率/ nW響應電 壓/mV電壓響應率/(V/W響應電 壓/mV 電壓響應率/(V/W50 40 8.00×10550 1.00×106100 50 5.00×105175 1.75×106130 75 5.77×105300 2.31×106190 250 1

15、.32×1061050 5.53×106250 650 2.60×10614005.60×106表1、2的非倒空與倒空測試結果對比說明,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。對比非倒空和倒空測試的響應電壓值,可以折算成對應的存儲電荷量(Q =C int ×V out -V ref 。在表1中當光照強度50、100、130 nW 條件下,倒空后響應電壓增加了10、125、225 mV ,計算得到潛在的存儲電荷量為2.5×105、3.125×106、5.6

16、25×106個電子。可以看到隨著一定波長的入射光子增加即光照強度變強,存儲電荷也增加,也就是說通過改變入射光子的數量,即改變光照強度可以調控存儲電子空穴對的數量,從而起到光電存儲的功能。表2說明恒定光強條件下,改變積分時間也可調控存儲電子空穴對數量。在積分時間25、50、75 µs 條件下,經過倒空后響應電壓增加了300、500、625 mV ,計算得到倒出的存儲電荷量為 1.875×106、3.125×106、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

17、的測試結果Table2 Test results of variable integration time, with opticalpower at 130nW 實驗條件非倒空 倒空積分時間/µs響應電壓/mV電壓響應率/(V/W響應電壓/mV 電壓響應率/(V/W12.4 75 5.77×105 300 2.31×10625 100 7.69×105 400 3.08×10650 150 1.15×106 650 5.00×10675 225 1.73×106 850 6.54×106100 350

18、2.69×106 1100 8.46×106125 450 3.46×10614001.08×1073 結論通過對特殊設計的GaAs/InGaAs 量子阱-量子點光電器件的I-V 和C-V 特性的測試和分析,針對器件特有的光子存儲特點,應用CTIA-CDS 電路讀出器件光電轉換信號,特別在測試中設計了倒空信號,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., Phot

19、ocurrent response in adouble barrier structure with quantum dotsquantum well inserted in central wellJ. Physica E , 2006, 33: 355-358.2 Bian Song Bao, Tang Yan, Li Gui-Rong, et a1., Photonstorage in opticalmemory cells based on a semiconductor quantum dots-quantum well hybrid structureJ. Chinese. Phys. Lett , 2003, 20: l362-l365.3 Bian Song Bao, Li Gui Rong, Tang Yan, et a1., Photovoltaic effect in aphoto storage cellJ. Infrared Millim. Waves , 2004, 23(3: 205-207. 4 PENG Jin, Hu Bing, Hu Cheng-Yong, et a1., Storage of PhotoexicitedEl