A Study on inP-based high gain photodetection device technologies for low-power optoelectronic integrated circuit (OEIC) applications

Abstract

본 연구에서는 증폭층 두께에 따른 소자의 성능을 살펴보기 위해 다양한 증폭층을 가지는 소자를 제작하였다. 제작된 소자 중 1.3 μm 의 가장 넓은 증폭층을 가진 소자가 낮은 증폭층 전계로 인해 트랩에 의한 터널링을 줄여 가장 우수한 성능을 보였다. 단일 식각 기술의 영향을 살펴보기 위해 건식 식각과 습식 식각을 이용한 소자를 제작하고 성능을 비교o분석 하였다. 습식 식각을 이용하여 제작된 소자는 낮은 표면 손상으로 인해 건식 식각을 이용하여 제작된 소자대비 13배 우수한 0.03 kHz/μm2 의 낮은 잡음 카운트율을 보였다. 이러한 결과는 HBr 기반 습식 식각 기술을 사용한 단일 확산된 가이거 모드 애벌랜치 포토다이오드가 다양한 단일 광자 검출 시스템 응용에 매우 적합함을 말한다. Optical-microwave 통신 응용을 위한 최적의 이종접합 포토트랜지스터 개발을 위해 다양한 베이스 컨택 모양을 갖는 소자를 제작하고 특성을 비교하였다. 이중 에미터를 중심으로 광 입사 영역의 반대편에 위치한 가장 적은 면적의 베이스 컨택 영역을 갖는 포토트랜지스터가 매우 우수한 성능을 보였다. 이는 상대적으로 적은 베이스 컨택 영역으로 인해 베이스 컨택 메탈과 InGaAs 경계의 표면 재결합이 적기 때문이다. 10×10 μm2 의 광 입사 면적을 가지는 포토트랜지스터는 200 μW 의 광 입사 전력에서 11.6 GHz 의 높은 optical cut-off frequency 를 가져 저전력/초고속 optical-microwave 통신 응용에 매우 적합한 특성을 보였다. 고 이득 광 검출 소자 기술의 응용 분야로써, InP 공명 터널링 다이오드 (RTD) 와 고 이득 포토트랜지스터를 집적한, 빛으로 조절되는 온-오프 모드 저전력 발진기를 처음으로 제안하고 개발하였다. 제작된 발진기 회로의 특성 분석을 위해 온-웨이퍼 측정 셋업을 통해 전기적인 특성과 광 특성을 살펴보았다. 제작된 회로의 광 특성의 경우 VCC=1.5 V, IB=10 μA 및 Popt=200 μW 의 대표적인 바이어스 조건에서 측정되었다. 제작된 공명 터널링 다이오드 기반 광전자 발진기는 -10.3 dBm 의 출력 파워와 4.7 GHz 의 발진 주파수를 보였다. 광전자 발진기 회로는 1-MHz 오프셋에서 -104 dBc/Hz 의 phase noise 를 보였다. 제작된 광전자 발진기 회로는 1 Gb/s 의 온-오프 광 입력 신호에서 우수한 온/오프 스위칭 특성을 보였다. 발진기의 총 소모 전력은 5 mW 였으며 이러한 저전력 특성은 공명 터널링 다이오드가 저 전압에서 고유의 부성미분저항 (NDR) 특성을 보였기 때문이다. 제작된 온-오프 모드 발진기의 에너지 효율은 5 pJ/bit 였다. 제작된 광전자 집적회로는 매우 낮은 전력 소모와 1 Gb/s 의 높은 데이터율을 보였으며 동일 주파수 대역에서 가장 우수한 에너지 효율을 보였다. 이러한 결과는 처음으로 제안된 이종접합 포토트랜지스터와 집적된 공명 터널링 다이오드 기반 발진기가 저전력/초고속 온-오프 모드 광통신 응용에 매우 유망함을 말한다.