GaAs_InGaAs量子点_量子阱光电二极管的光存储特性读出

〈材料与器件〉

GaAs/InGaAs量子点-量子阱光电二极管的光存储特性读出

肖云钞，郭方敏

（华东师范大学 信息科学技术学院 极化材料与器件教育部重点实验室，上海 200241）

摘要：通过对特殊设计的GaAs/InGaAs 量子点-量子阱光电二极管的I-V和C-V特性测试，验证了器件的光子存储特性，在器件的读出设计中引入了特殊设计的带倒空信号的基于电容反馈互导放大器和相关双采样（CTIA-CDS）型读出电路。在633 nm辐照下，分别改变照度和积分时间进行了非倒空和倒空测试的对比研究，并计算给出了对应的存储电荷变化量，进一步证明了光电器件的光子存储特性。 关键词：GaAs/InGaAs；量子点-量子阱光电二极管；光子存储；CTIA读出电路；倒空信号 中图分类号：TN215 文献标识码：A 文章编号：1001-81(2011)05-0281-03

Optical Charge Memory of the GaAs/InGaAs Quantum Dot Well Diode

XIAO Yun-Chao，GUO Fang-Min

(Key Laboratory of Polar Materials and Devices, Ministry of Education,

School of Information Sciences and Technology, East China Normal University, Shanghai 200241, China)

Abstract：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 comparing 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; dumping

得到广泛应用[5-7]。针对该器件的光子存储效应，引入设计了倒空信号。

引言

近年来，低维结构在光电探测器、电荷转移器件和光子存储器方面的研究成为了一个热点。经特殊设计的混合型异质结GaAs量子阱量子点结构受光激发时，得到空间分离的电子空穴对而被存储，有望研制出高频高速的光子存储器，应用于光信号处理系统及光子计算机中[1-4]。光电器件若有信号电荷转移功能，那么可以采用相应的时钟控制来实现信号电荷耦合和转移，最终结合光电转换、信号电荷存储和电荷读出实现图像传感器，应用于数码照相机及太空探测等领域[2]。

CTIA读出结构具有偏置稳定、高线性、噪声低、均匀性好和动态范围大等优点，CDS结构能抑制FPN噪声和开关复位噪声等优点，CTIA-CDS型读出电路

1 器件测试与分析

图1是GaAs/InGaAs量子点-量子阱复合材料结构[3]，通过分子束外延生长经过特殊设计的量子阱中分别有量子点和量子阱。器件被封装在杜瓦内，抽真空后杜瓦固定在光学平台上，He-Ne激光器（633 nm）作为光源，发射的激光束经过衰减片聚焦照射到器件像元窗口，Kelthley 4200-SCS半导体特性分析仪分别记录器件的I-V特性、C-V特性。

在图2(a) I-V特性曲线上可用看到在1 V偏压下出现的台阶状电流阶跃，说明半导体低维结构受光激发后，入射光子先转变成空间分离的电子空穴对，分别存储在低电势的InGaAs量子阱和InAs量子点中，

收稿日期：2011-03-12 ；修订日期：2011-04-18. 作者简介：肖云钞（1986-），男，浙江温州人，华东师范大学信息学院，硕士研究生，主要从事光电器件读出与测试研究。 通讯作者：郭方敏（1957-），女，上海人，华东师范大学信息学院博导/教授，fmguo@ee.ecnu.edu.cn。 基金项目：科技部重大项目，编号：2006CB932802，2011CB932903；上海市科委基金项目，编号：078014194。

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第33卷 第5期 红 外 技 术 Vol.33 No.5 2011年5月 Infrared Technology May 2011

它们形成的内建电场将部分屏蔽GaAs阱承受的外加电场，增大了AlAs势垒上的压降，使得通过整个结构的隧穿电流在光照下出现了台阶状响应电流的阶跃变化[1-3]。

GaAs阱中Γ束缚态通过共振Γ-X混合转变到AlAs层中的X束缚态上，导致了不同的Γ和X态可以发生互混形成了不仅是在实空间而且在K空间也是分离的电子-空穴极化，转移过去的电子积累在InGaAs量子阱内，而空穴存留在InAs量子点中。如此形成的电荷极化必然会对器件的电容有一额外贡献，造成电容发生突然跳变和双稳滞迟现象[4,8,9]。

图1 量子阱-量子点光电二极管结构图示 Fig.1 The dot-in-a-well (DWELL) device structure

1.40E-0071.20E-0071.00E-007

图3 CTIA-CDS结构ROIC单元

background 80nw 226nwFig.3 CTIA-CDS readout circuit

Current (A)8.00E-0086.00E-0084.00E-0082.00E-0080.00E+000-2.00E-008

2 器件读出与分析

2.1 读出电路

针对器件独特的具有光子存储效应，在读出电路设计中引入了倒空功能[6]。图3是具有CTIA-CDS结构的读出电路单元。CTIA是由运放和反馈积分电容构成的一种复位积分器结构，电路中的放大器采用两级补偿高增益运算放大器，较好的虚短与虚断原理使得器件的工作偏压稳定，输出信号一致性较好。为了得到合适的信号输出，必须控制好积分时间，同时考虑复位开关工作带来的复位KTC噪声，在输出级需要引入相关双采样（CDS）电路结构。CDS是差分采样电路，利用其差分特点可以有效地降低复位噪声和背景噪声等。

倒空信号的设计：输入一个脉冲触发给第一级单稳态触发器，单稳态触发器的RC电容延迟输出一个宽度可调的脉冲信号，脉冲信号宽度使倒空信号相对于第一个输入触发信号产生的一个延迟时间，然后再把这个脉冲信号输入给第二级单稳态触发器，就可以得到需要的倒空信号，调节第二级单稳态触发器的RC电容就可以实现对倒空信号宽度的调节。 2.2 测试与分析

根据器件I-V特性和电路结构特点[1-3,5]，设定参考电压Vref为2.5 V而器件公共端电压Vcom接地，器件的偏压Vdet为2.5 V(Vdet＝Vref－Vcom)。从表1器件与读出电路对接的非倒空测试数据可以发现响应率随着光功率的增强反而变小。从表2器件与电路对接

-3-2-1

Bias Voltage (V)

012345

图2(a) 器件的I-V特性（室温，改变光强）

Fig.2 (a) Current–voltage characteristic for changed irradiation

intensity at 300 K

6.60E-0126.58E-0126.56E-012

80nw 226nw

Capacitance(F)6.E-0126.52E-0126.50E-0126.48E-0126.46E-0126.44E-0126.42E-012

-4-3-2-1

0123Basic Voltage(v)

456

图2(b) 器件的C-V特性（室温，改变光强） Fig.2 (b) Capacitance–V characteristic changed irradiation

intensity at 300 K

图2(b)给出了器件的C-V特性曲线，说明实空间和k空间的电子迁移引起GaAs异质结构中光子激发的电子空穴对的储存，当器件偏置超某个电压时，C-V特性呈现出突然的跳变和双稳滞迟现象。这是由于282

第33卷 第5期 Vol.33 No.5 2011年5月 肖云钞等：GaAs/InGaAs量子点-量子阱光电二极管的光存储特性读出 May 2011

非倒空测试数据可以发现响应率随着积分时间增加反而下降。

倒空电荷信号Vdump测试有两种方法：第一种是保持器件公共端电压Vcom不变，改变CTIA运放的参考电压Vref来实现；第二种方法是保持CTIA运放的参考电压Vref不变，改变器件的公共端电压Vcom的位置，实现调节器件正偏的大小。考虑到改变CTIA运放的参考电压Vref会对运放的正常工作带来影响，所以采用第二种倒空读出方法。

倒空信号的引入还需要解决三个问题：第一是什么时候加倒空信号，即什么时候开始给器件倒空；第二是倒空信号持续时间多久，即给器件多少时间来倒空；第三是倒空信号的电压幅度为多少，即以多少偏置电压来给器件倒空。因为倒空信号的引入不能影响各个像元响应信号的正常读出，所以倒空信号应该放在像元响应信号最后一路（C8）之后，即与复位信号Reset同时开始。倒空信号的引入也不能影响后续的正常时序特别是临近的Reset脉冲，所以dumping脉冲宽度应该比Reset脉冲窄。通过多次实验验证，最终给出的倒空信号是从0 V到2.5 V的脉冲，与复位信号Reset同时开始，脉冲宽度小于Reset脉冲宽度。

表1 积分时间25 µs，改变光功率的测试结果

Table1 Test results of different optical powers, with integration

time at 25 µs 实验条件 光功率/ nW

非倒空 响应电 压/mV

电压响应率/(V/W)

55

计算得到倒出的存储电荷量为1.875×106、3.125×

106、3.9×106个电子。因此，通过分别控制光照强度和积分时间两个参数可以有效地获得光电存储效果。

表2 光功率130 nW，改变积分时间的测试结果

Table2 Test results of variable integration time, with optical

power at 130nW 实验条件积分时间/µs

非倒空 响应电压/mV

电压响应率/(V/W)

倒空

响应电压/mV 300 400 650 850 1100 1400

电压响应率/(V/W)2.31×1063.08×1065.00×1066.×1068.46×1061.08×107

12.4 75 5.77×105 25 100 7.69×105 50 150 1.15×106 75 225 1.73×106 100 350 2.69×106 125 450 3.46×106

3 结论

通过对特殊设计的GaAs/InGaAs量子阱-量子点光电器件的I-V和C-V特性的测试和分析，针对器件特有的光子存储特点，应用CTIA-CDS电路读出器件光电转换信号，特别在测试中设计了倒空信号，分别改变光照强度和积分时间，对比了非倒空和倒空测试结果，计算了实验获得的倒空电荷增加量，进一步证明倒空读出设计有效读出了器件的光子存储特性。 参考文献：

[1] Bing Hu , Xia Zhou, Houzhi Zheng, et a1., Photocurrent response in a

double barrier structure with quantum dots–quantum well inserted in central well[J]. Physica E, 2006, 33: 355-358.

[2] Bian Song Bao, Tang Yan, Li Gui-Rong, et a1., Photonstorage in optical

memory cells based on a semiconductor quantum dots-quantum well hybrid structure[J]. Chinese. Phys. Lett , 2003, 20: l362-l365.

[3] Bian Song Bao, Li Gui Rong, Tang Yan, et a1., Photovoltaic effect in a

photo storage cell[J]. Infrared Millim. Waves, 2004, 23(3): 205-207. [4] PENG Jin, Hu Bing, Hu Cheng-Yong, et a1., Storage of Photoexicited

Electron-Hole Pairs in an AlAs/GaAs Heterstructure Created by Hlectron Transfer in Real and k Spaces[J]. Chinese. Phys. Lett., 2002, 19: l0-l2.

[5] 詹国钟, 郭方敏, 黄静, 等. 光电传感器读出电路的参数可制研

究[J]. 红外技术, 2008, 30(8): 485-488.

[6] F. M. Guo, G. Z. Zhan, J. Q. Han, et. al., Dumping Design of CTIA

Readout Circuit Based on a Low-dimensional Quantum Structure Photoelectric Sensors[C]//SPIE International Symposium on Photoelec- tronic Detection and Imaging, 2009.

[7] 李峻蔚, 詹国钟, 郭方敏. 低维异质结构光存储单元的等效电路建模

及模型[J]. 红外技术, 2009, 37(7): 386-3. [8] Ando T, Akera H. phys. Rev. 19.B 40 11619

[9] Schmidt S R, Zibik E A, Seilmeier A, Vorobjev L E, Zhkov A E, Ustinov

U M. Appl. Phys. Lett. 2001 78 1261.

倒空

响应电 压/mV) 50 175 300 1050 1400

电压响应率/(V/W)1.00×1061.75×102.31×10

66

50 40 8.00×105100 50 5.00×10130 75 5.77×10

190 250 1.32×106250 650 2.60×106

5.53×1065.60×106

表1、2的非倒空与倒空测试结果对比说明，分别改变光功率和积分时间的情况下，加入倒空信号的读出响应率明显比非倒空读出大，进一步证明了器件存在着光存储效应。对比非倒空和倒空测试的响应电压值，可以折算成对应的存储电荷量（Q＝Cint×[Vout－Vref]）。在表1中当光照强度50、100、130 nW条件下，倒空后响应电压增加了10、125、225 mV，计算得到潜在的存储电荷量为2.5×105、3.125×106、5.625×106个电子。可以看到随着一定波长的入射光子增加即光照强度变强，存储电荷也增加，也就是说通过改变入射光子的数量，即改变光照强度可以存储电子空穴对的数量，从而起到光电存储的功能。表2说明恒定光强条件下，改变积分时间也可存储电子空穴对数量。在积分时间25、50、75 µs条件下，经过倒空后响应电压增加了300、500、625 mV，

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