太赫茲量子阱探測(cè)器的暗電流抑制電路研究

董 明，郭旭光，譚智勇，劉曉艷，郭方敏，曹俊誠(chéng)

(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所太赫茲固態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200050; 2.華東師范大學(xué)教育部極化材料與器件實(shí)驗(yàn)室，上海 200241)

太赫茲量子阱探測(cè)器的暗電流抑制電路研究

董 明1，郭旭光1，譚智勇1，劉曉艷2，郭方敏2，曹俊誠(chéng)1

(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所太赫茲固態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200050; 2.華東師范大學(xué)教育部極化材料與器件實(shí)驗(yàn)室，上海 200241)

主要研究了太赫茲量子阱探測(cè)器讀出電路中的暗電流抑制模塊。首先從理論上分析了太赫茲量子阱探測(cè)器產(chǎn)生暗電流和光電流的原理。由于太赫茲量子阱探測(cè)器中電子輸運(yùn)行為非常復(fù)雜，難以通過(guò)理論推導(dǎo)建立精確等效電路模型的解析表達(dá)式。通過(guò)對(duì)太赫茲量子阱探測(cè)器的電流電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，提出壓控電流源等效電路模型。利用此模型設(shè)計(jì)讀出電路信號(hào)源及暗電流抑制模塊，結(jié)合讀出電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證電路模型的準(zhǔn)確性。發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)暗電流抑制電路相比，壓控電流源電路模型能夠在器件工作偏壓變化時(shí)對(duì)其暗電流進(jìn)行精確抑制，提高讀出電路性能，因此更適合作為太赫茲量子阱探測(cè)器讀出電路的暗電流抑制模塊。

太赫茲量子阱探測(cè)器;暗電流抑制電路;壓控電流源等效電路模型;讀出電路

1 引 言

太赫茲量子阱探測(cè)器(Terahertz quantum well photodetector，THz QWP)于2004年首次被研制出來(lái)［1］，這種光導(dǎo)型探測(cè)器具有響應(yīng)頻譜較窄以及響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，是未來(lái)太赫茲應(yīng)用中的重要探測(cè)器之一［2－3］。在THz QWP中，由于多量子阱的勢(shì)壘高度一般小于40 meV，由熱發(fā)射導(dǎo)致的暗電流大于中紅外波段的QWP，降低信號(hào)電流讀出的靈敏度。因此對(duì)于THz QWP來(lái)說(shuō)，在其信號(hào)讀出電路中建立暗電流抑制模塊對(duì)提高讀出電路的性能具有重要作用?，F(xiàn)有量子阱紅外探測(cè)器的暗電流抑制電路方法多為電荷撇取技術(shù)［4］、鏡像電流源補(bǔ)償技術(shù)和電荷存儲(chǔ)電路補(bǔ)償技術(shù)［5－6］。前兩種方法屬于電壓電流轉(zhuǎn)化法，均是將暗電流作為恒定值進(jìn)行處理，當(dāng)THz QWP工作點(diǎn)發(fā)生漂移時(shí)，不能對(duì)暗電流進(jìn)行精確補(bǔ)償。由于THz QWP工作偏置電壓較低，工作點(diǎn)的微小偏移就會(huì)導(dǎo)致較大的暗電流差異，因此這兩種暗電流抑制方法不能應(yīng)用于THz QWP。電荷存儲(chǔ)電路技術(shù)主要為電流復(fù)制單元法，雖然精度較高但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，面積較大，并且需要額外控制信號(hào)和 AD/DA模塊，不易實(shí)現(xiàn)。

本文首先介紹了THz QWP的器件特性，分析表明，在理論上獲得適合于電路仿真的電流－電壓輸出特性解析表達(dá)式是非常困難的。我們采用對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的方式，建立包含暗電流與光電流的THz QWP的壓控電流源(Voltage Controlled Current Source，VCCS)等效電路模型，并利用THz QWP暗電流等效電路模型構(gòu)建讀出電路暗電流抑制模塊，使THz QWP在工作偏置電壓變化的情況下仍能夠?qū)Π惦娏鬟M(jìn)行精確抑制，并且通過(guò)Cadence仿真分析了加入暗電流抑制模塊對(duì)讀出電路的影響。結(jié)果表明，對(duì)電容跨導(dǎo)放大器(CTIA)來(lái)說(shuō)，暗電流抑制模塊能夠有效提高積分電容的積分時(shí)間，提高讀出電路信號(hào)讀取的靈敏度。

2 太赫茲量子阱探測(cè)器的器件特性

光導(dǎo)型THz QWP的有源區(qū)及其導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)如圖1所示［7］，它由發(fā)射極、數(shù)十個(gè)多量子阱周期結(jié)構(gòu)以及集電極構(gòu)成。對(duì)于光導(dǎo)型THz QWP，暗電流主要由電極層自由電子和量子阱內(nèi)束縛態(tài)電子的熱發(fā)射過(guò)程決定［8］，量子阱中處于基態(tài)的電子吸收光子產(chǎn)生躍遷形成光生載流子，這些激發(fā)態(tài)的電子在外加偏壓下形成光電流，它正比于入射光的功率。G.Karunasiri［9］于1994年提出光電流與入射光功率的關(guān)系。

圖1 基于GaAs/AlGaAs材料體系光導(dǎo)型THz QWP導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)示意圖

采用自洽穩(wěn)態(tài)輸運(yùn)模型［10－11］，根據(jù)穩(wěn)態(tài)電流連續(xù)性條件和方程(1)、(2)計(jì)算了THz QWP的電流－電壓特性。在低溫和低偏壓下，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在較大差異?？赡茉蛴?(1)在低偏壓和低溫區(qū)域，與器件缺陷相關(guān)的寄生電子輸運(yùn)通道無(wú)法在計(jì)算中考慮;(2)電子在THz QWP中的輸運(yùn)非常復(fù)雜，尤其是在量子阱層，電子被量子阱俘獲以及量子阱中束縛電子的散射輔助發(fā)射與電子－聲子、電子－電子微觀散射過(guò)程相關(guān)，我們只能采用唯象的參數(shù)描述這些過(guò)程，引入較大誤差;(3)數(shù)值結(jié)果表明，在發(fā)射極和收集極附近的多量子阱區(qū)存在電壓分布不均勻，更加難以確定方程(1)、(2)中的唯象參數(shù)的值;(4)與摻雜電子相關(guān)的勢(shì)無(wú)法被準(zhǔn)確考慮。以上問(wèn)題決定了無(wú)法從器件物理模型出發(fā)，獲得THz QWP等效電路模型。

3 等效模型的建立

從實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)出發(fā)，我們發(fā)現(xiàn)光導(dǎo)型 THz QWP并非理想的一條直線，在10～40 mV時(shí)其阻值在30～75 kΩ變化，因此采用多項(xiàng)式擬合的方式建立THz QWP的等效電路模型。圖2(a)、(b)為溫度在3K下測(cè)得的I－V曲線，實(shí)驗(yàn)器件有源區(qū)面積為0.3 mm×0.3 mm，厚度為2.7μm，實(shí)驗(yàn)的電壓范圍為－40～40 mV。

圖2 T=3K時(shí)電流密度與偏壓關(guān)系示意圖

采用多項(xiàng)式對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到器件輸出特性的表達(dá)式。從圖2(a)、(b)得到的擬合曲線為:從物理角度出發(fā)，A0為0，但從表1中發(fā)現(xiàn)并非如此，這是由于多項(xiàng)式擬合時(shí)階數(shù)較低，采用高階擬合時(shí)A0趨于0，并且存在背景輻射導(dǎo)致。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到在偏壓V(mV)改變的情況下，器件的等效電阻是不斷變化的，等效電容C可以由THz QWP有源區(qū)尺寸算出［12］:

表1 擬合曲線的參數(shù)

等效電阻的不斷變化使得不能夠用RC小信號(hào)模型作為T(mén)Hz QWP等效電路模型，因此采用VCCS作為T(mén)Hz QWP等效電路模型，示意圖如圖3所示。

圖3 THz QWP等效電路模型

圖3中，R可以為任意阻值，C為計(jì)算的THz QWP電容值。

4 等效模型的仿真、驗(yàn)證及應(yīng)用

基于THz QWP的VCCS等效電路模型，采用SMIC 0.18μm CMOS工藝庫(kù)，利用Cadence對(duì)THz QWP的VCCS模型進(jìn)行仿真模擬，仿真得到的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較如圖4(a)、(b)所示。

圖4 Cadence仿真電流密度與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

如圖4(a)、(b)所示，兩者能夠很好的吻合，由此驗(yàn)證了VCCS等效電路模型的正確性。同時(shí)也可以看出在THz QWP工作偏壓變化的情況下，VCCS等效模型作為暗電流抑制電路能夠精確的模擬器件暗電流，這是傳統(tǒng)方法無(wú)法做到的。

THz QWP等效電路模型可以作為讀出電路的信號(hào)源，更為重要的是利用其暗電流模型構(gòu)造暗電流抑制電路，圖5為利用Cadence軟件給出了THz QWP電路模型及暗電流模型結(jié)合電容跨導(dǎo)放大器(Capacitive transimpedance amplifier，CTIA)的部分電路的示意圖所示。

圖5 THz QWP及暗電流等效電路模型結(jié)合CTIA放大部分原理圖

圖6為圖5所示電路圖在Cadence中瞬態(tài)仿真的結(jié)果，給出了在入射光功率P0=0.5μW時(shí)，積分電容在2～12 pF變化時(shí)，輸出電壓Vout隨時(shí)間的變化。

圖6 輸出電壓在不同積分電容下的變化圖

在圖5中，開(kāi)關(guān)輸入為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，此時(shí)輸出為標(biāo)準(zhǔn)的Vref=2.5 V，圖6中在50μs時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，可以看到隨著積分電容的增大，充電飽和時(shí)間也在增大，Vout的變化量就是光電流通過(guò)積分電容的積分電壓，它可以為后續(xù)THz QWP的成像及應(yīng)用提供純凈的原始信號(hào)。充電飽和是我們不愿看到的，因此為了避免充電飽和，可以通過(guò)增大積分電容、減小積分時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖7為輸入THz光功率為0.1μW、積分電容為2 pF時(shí)包含和不包含暗電流抑制模塊的輸出對(duì)比圖，圓點(diǎn)曲線為不包含暗電流抑制模塊時(shí)的Vout曲線，可以看出在讀出電路不包括暗電流抑制模塊時(shí)充電電流較大，積分電容易于飽和，因此加入暗電流抑制模塊是非常必要的。

圖7 P0=0.1μW時(shí)有無(wú)暗電流抑制模塊輸出對(duì)比圖

盡管暗電流VCCS等效模型作為暗電流抑制電路能夠使THz QWP在不同偏壓工作下進(jìn)行精確地暗電流抑制，但是它仍存在缺點(diǎn)，即VCCS電路模型的實(shí)現(xiàn)需要放大器和電阻的連接，非線性的VCCS電路更需要多級(jí)放大器的級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)，因此芯片面積較大。為解決這一問(wèn)題，可以在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的時(shí)候只擬合10～40 mV部分?jǐn)?shù)據(jù)，該部分線性度高，能夠降低非線性VCCS電路實(shí)現(xiàn)的級(jí)數(shù)，如圖8所示，而且器件工作所加的偏壓處于該范圍內(nèi)，除此之外，在芯片版圖繪制中合理布局也能夠減小芯片面積。

圖8 利用放大器實(shí)現(xiàn)VCCS電路

圖8中，RL為負(fù)載，經(jīng)計(jì)算RL上流過(guò)的電流為IRL=I0+V/R=I0+gV，符合線性VCCS的表達(dá)式，若只擬合圖2中偏壓在10～40mV范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)則可用圖8的電路實(shí)現(xiàn)，這也再次證明了VCCS電路模型作為暗電流抑制電路可以在THz QWP工作偏壓變化的情況下對(duì)暗電流進(jìn)行精確抑制。

圖5中所示電路圖中僅包含CTIA讀出電路的積分、復(fù)位部分，實(shí)際上CTIA電路還包含讀出部分，這部分是由相關(guān)雙采樣電路構(gòu)成的。整個(gè)系統(tǒng)的噪聲可以分為器件噪聲和電路引起的噪聲。由于電容上的電荷不能突變，所以同一電路的噪聲電壓在時(shí)間上具有相關(guān)性，可以在很短的時(shí)間內(nèi)兩次采樣同一單元電路的信號(hào)，利用差分器或減法器相減消除噪聲，因此通過(guò)相關(guān)雙采樣電路能夠達(dá)到消除或削弱1/f噪聲、開(kāi)關(guān)噪聲的和低頻噪聲的目的。本實(shí)驗(yàn)中積分時(shí)間為μs量級(jí)，所以對(duì)于幾十千赫茲及以下的信號(hào)可以利用相關(guān)雙采樣電路實(shí)現(xiàn)削弱噪聲甚至消除的目的。而THz QWP工作溫度極低，一般為20 K以下，所以器件的噪聲主要體現(xiàn)為散粒噪聲(由暗電流和光電流引起的噪聲)，因此進(jìn)行暗電流抑制是十分必要的。通過(guò)暗電流抑制電路的設(shè)計(jì)結(jié)合CTIA讀出電路能夠極大的提高輸出信號(hào)的信噪比。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章提出了基于實(shí)際器件I－V關(guān)系并利用VCCS方法建立等效電路模型的觀點(diǎn)，提出并建立的VCCS等效電路模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠很好的吻合。上述VCCS等效電路模型可以作為讀出電路暗電流抑制模塊及仿真時(shí)的信號(hào)源，該暗電流的VCCS等效電路在作為讀出電路的暗電流抑制電路時(shí)可以在THz QWP工作偏壓變化的情況下精確的抑制暗電流，這是傳統(tǒng)暗電流抑制方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)添加刪除暗電流抑制模塊分析了其對(duì)讀出電路的影響，在Cadence中的仿真結(jié)果也驗(yàn)證了暗電流等效電路模型作為抑制電路的重大作用。同時(shí)給出了線性VCCS電路的放大器實(shí)現(xiàn)方法，結(jié)合THz QWP器件與CTIA電路整體分析了噪聲問(wèn)題，得到進(jìn)行暗電流抑制能夠提高輸出信號(hào)信噪比的結(jié)論。

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Research on dark current suppression circuit of terahertz quantum well photodetector

DONG Ming1，GUO Xu-guang1，TAN Zhi-yong1LIU Xiao-yan2，GUO Fang-min2，CAO Jun-cheng1
(1.Key Laboratory of Terahertz Solid-State Technology，Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology，Chinese Academy of Sciences，Shanghai200050，China;
2.Key Laboratory of Polar Materials and Devices，Ministry of Education，East China Normal University，Shanghai200241，China)

The dark currentsuppression circuitand the equivalent circuitmodel of the terahertz quantum-well photodetectors(QWPs)are introduced.The transportmechanisms of dark current and photocurrent are analyzed theoretically.Because the transportmodel of terahertz QWPs is very complex，the analytical expression for the current-voltage relations used in the circuitmodel of terahertz QWPs cannot be obtained precisely.By fitting the experimental dark current-voltage and photocurrent-voltage data，the effective voltage controlled current source(VCCS)circuitmodel of terahertz QWPs is established.The effective circuitmodel is used to design the dark current suppressionmodule and the signal source in readout circuit.The numerical simulation results show that the effective circuitmodel of terahertz QWPs works well.Compared with the traditional dark current suppressionmodule，the VCCS circuitmodel can accurately suppress the dark currentwhen the voltage of the terahertz QWPs changes.It’smore suitable for the dark current suppression module of the terahertz QWPs in the readout circuit.

terahertz quantum well photodetector;dark current suppression module;voltage controlled current source equivalent circuitmodel;readout circuit

O441

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.04.018

1001-5078(2014)04-0433-05

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(No.2011CB932903);國(guó)家自然科學(xué)基金(No.61176086，61131006，61021064);國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(No.2011AA010205);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究專項(xiàng)基金(No.2011YQ150021);國(guó)家科技重大專項(xiàng)(No.2011ZX02707);中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向性項(xiàng)目(No.YYYJ－1123－1);上海市基礎(chǔ)研究計(jì)劃基金(No.10JC1417000);上海市自然科學(xué)基金(No.11ZR1444000，11ZR1444200)資助的課題。

董 明(1988－)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榛谔掌澚孔于逄綔y(cè)器的CTIA型讀出電路研究與設(shè)計(jì)。

2013-08-22;

2013-09-22