InP-based high gain photodetectors are highly required for next-generation low-power optical communication systems such as a quantum key distribution (QKD), a quantum computer, an optical interconnect, and an optical-microwave communication system, because they combine the functions of photodetection and amplification in one device. In this work, high gain photodetectors such as an avalanche photodiode (APD) and a heterojunction phototransistor (HPT) have been fabricated and characterized for the high-efficiency photodetection. From the measured results, I have found that the developed APDs in Geiger-mode (GM) operation are useful for the low-power quantum optical communication networks due to a high single photon-detection-efficiency (PDE) and a low dark-count-rate (DCR), and the developed HPTs are suitable in low-power optical-microwave communication systems due to a high intrinsic gain and a low bias voltage. In addition, as a microwave generator in low-power optical-microwave communication systems, the optically controlled oscillator based on a resonant tunneling diode (RTD) integrated with a HPT optical switch has been designed and characterized. The detailed research results are presented as follows.
First, the planar-type InGaAs/InP GM-APDs using a single-diffusion process based on a single recess-etching technique have been proposed and developed for the first time, which can reduce the complicated double diffusion sequences to a single process step with the performance characteristics comparable to the double-diffused GM-APDs. In order to obtain the optimum multiplication width of the proposed GM-APD, three types of single diffused GM-APDs with different multiplication widths have been developed. From the measured results, it is found that the multiplication width of 1.3 μm is the optimum width in this work. In order to confirm the effects for recess etching techniques, wet- and dry-etched GM-APDs using a single diffusion process have been fabricated and compared. The wet-etched GM-APD has a low DCR per unit area of 0.03 kHz/μm2, which is 13 times lower than that of the dry-etched APD at 240 K. The results achieved in this work clearly demonstrate the feasibility of the single-diffused GM-APD using the HBr-based wet recess-etching for various single photon detection system applications.
Next, the three-terminal HPTs with different base contact shapes have been fabricated and characterized in order to obtain the optimum HPT structure for optical-microwave communications. For the HPT type-1, the base contact is only placed on one side of the emitter-base mesa area, opposite to the optical window area. For the HPT type-2 and type-3, the metallic base contact surrounds three of the four edges of the emitter contact. An optical gain of the HPT type-1 is higher than that of the HPT type-2 and type-3 due to low surface recombination in the base contact metal/InGaAs interface. The measured optical cut-off frequency is 11.6 GHz at IB=0 and Popt=200 μW with a window size of 10×10 μm2.
By applying the developed high-gain photodetector technology, an optically controlled low-power oscillator with an on-off keying (OOK) modulation format has been proposed and fabricated for the first time in a monolithic optoelectronic IC approach using a vertically stacked epi-layer structure of the InP RTD and the HPT optical switching device. In order to characterize the fabricated RTD optoelectronic voltage controlled oscillator (VCO), both electrical and optical measurements have been performed by using the on-wafer test setups. After the operation of the fabricated RTD oscillator has been first characterized using the electrical signals without illumination, the optical characteristics of the RTD oscillator IC have been measured with illumination. The fully on-mode optoelectronic operation of the oscillator has been measured in a typical bias condition of VCC=1.5 V, IB=10 μA, and Popt=200 μW using a signal analyzer. The output spectrum of the fabricated oscillator shows an oscillation frequency of 4.7 GHz with an output power of -10.3 dBm. The measured phase noise of the oscillator is obtained as -104 dBc/Hz at 1-MHz offset. The operation of the fabricated optoelectronic oscillator has been confirmed up to 1 Gb/s with clear on/off switching. The total power consumption of the oscillator is 5 mW including the output buffer. The obtained figure-of-merit (FOM) from the fabricated on-off mode RTD oscillator with the HPT switch is 5 pJ/bit. The results show that the developed RTD optoelectronic oscillator operates at the lowest DC power consumption with the high-data-rate of 1 Gb/s with the best energy efficiency reported up to date in this frequency range. On the basis of the excellent FOM with the low power consumption and the high-data-rate, the RTD oscillator with the HPT switch can be considered one of the best candidates for the low-power/high-data-rate OOK optical communication applications.
InP 기반 고 이득 광 검출 소자는 별도의 증폭기가 필요 없어 양자암호통신 (QKD), 양자 컴퓨터, 광 인터커넥트 및 optical-microwave 통신 등 다양한 차세대 저전력 광통신 시스템에 적합하다. 본 논문에서는 높은 내부 이득을 가지고 있는 애벌랜치 포토다이오드 (APD) 와 이종접합 포토트랜지스터 (HPT) 의 제작 기술을 개발하고 성능을 분석하였다. 가이거 모드에서 동작하는 애벌랜치 포토다이오드 (GM-APD) 는 높은 단일 광자 검출 효율 및 낮은 잡음 카운트율 (DCR) 을 가져 저전력 양자암호 통신에 적합하다. 또한 이종접합 포토트랜지스터는 높은 내부 이득과 낮은 동작 전압으로 인해 저전력 optical-microwave 통신 시스템에 각광을 받고 있다.
단일 식각 기술과 단일 확산 공정을 이용한 평면형 InGaAs/InP 가이거 모드 애벌랜치 포토다이오드가 처음으로 제안되고 제작되었다. 제안된 소자는 기존 두 번의 확산 공정을 이용하여 제작된 소자대비 공정이 간단하고 HBr 식각 용액 고유의 등방성 식각면으로 인한 부드러운 확산 곡률을 가져 기존 소자보다 우수한 성능을 보였다. 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.
