CN117452175A - 一种用于半导体光电器件微区带宽测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种用于半导体光电器件微区带宽测试系统及方法，包括激光器、调制系统、确定性光路、精密位移控制器、前置放大器、锁相放大器和PC端控制模块。本发明的的一种用于半导体光电器件微区带宽测试系统及方法在传统的带宽测试方法上首次提出了器件扫描的方式来测量器件微区的带宽，通过此方法不仅可以减小传统方法因光照射器件微区不同而导致的带宽测量误差，还可以表征器件微区最佳工作点。本发明使用方便，适用范围广，易于维护，具有良好的应用前景。

Description

一种用于半导体光电器件微区带宽测试系统及方法

技术领域

本发明涉及半导体测量技术领域，具体涉及一种用于半导体光电器件微区带宽测试系统及方法。

背景技术

半导体光电器件是指把光和电这两种物理量联系起来，使光和电互相转化的新型半导体器件。即利用半导体的光电效应或热电效应制成的器件。半导体光电器件是一类关键的技术，在众多领域都有广泛的应用，将其应用于通信领域中的光纤通信和光网络是当前热门研究方向，半导体光电器件在该领域中主要用于光信号的发射、接收和调制等功能，当前社会对于通信速率的要求越来越高，这就对半导体光电器件高带宽特性的迫切需求。

在众多半导体光电器件参数中，带宽是一个非常重要的参数，它对器件的性能和应用具有关键影响。带宽决定了半导体光电器件能够传输的信号频率范围。较宽的带宽意味着器件可以传输更高频率的信号，从而实现更高的数据传输速率。这对于需要高速数据传输的应用非常重要，例如光纤通信和高速数据传输系统。带宽决定了器件对信号变化的响应速度。较宽的带宽意味着器件可以更快地响应光信号的变化，从而实现更高的响应速度。这对于需要快速检测和响应的应用非常重要，例如光电探测和光学测量。在某些应用中，带宽决定了器件的分辨率。例如，在光学成像中，较宽的带宽可以提供更高的空间分辨率和图像质量，从而实现更精确的目标检测和识别。带宽直接影响器件关键性能指标，所以半导体光电器件带宽的测试是器件参数表征非常重要的一环。

测量半导体光电器件的带宽是一个复杂的任务，需要综合考虑测量精度、设备限制、环境影响和资源消耗等因素，选择合适的测量方法来准确评估器件的带宽性能。比较常用的带宽测量一种方法是通过输入不同频率的信号并测量器件的输出响应来确定带宽，该方法首先需要设置信号发生器以生成不同频率的信号。从低频到高频逐步增加频率，对于每个频率测量半导体光电器件的输出响应。将半导体光电器件输出连接到示波器获得输出响应，将测量得到的输出响应数据绘制成频率响应曲线，计算频率响应曲线上振幅降至-3dB的频率就是器件的带宽。

目前带宽测量方法都是只进行整个器件的带宽测试，而实际上器件不同微区内的带宽并不相同，因为半导体光电器件本身物理机制的影响，电极附近微区和结区附近微区带宽相差很大，从而以往器件带宽测试方法不够严谨和精确。

因此，如何解决半导体光电器件微区带宽无法测试的问题，提供一种对半导体光电探测器件的不同微区带宽精确测试的系统和方法是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的第一个目的在于，针对现有技术中的问题，提供一种用于半导体光电器件微区带宽测试系统。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种用于半导体光电器件微区带宽测试系统，其特征在于：包括激光器、调制系统、确定性光路、精密位移控制器、前置放大器、锁相放大器和PC端控制模块，

所述激光器提供半导体光电器件测试所需光源，

所述调制系统调控激光光源的频率，用于获得不同频率下的光响应，

所述确定性光路调节光源的照射位置，使得激光光源照射到半导体光电器件上的指定微区位置，

所述精密位移控制器通过控制位移平台控制半导体光电器件的移动，

所述前置放大器将采集的微弱电信号进行放大，输出电信号至锁相放大器；

所述锁相放大器对电信号进行积分放大，并获得光电流信号值；

PC端控制模块包括数据传输模块、数据存储模块和数据处理模块，数据传输模块分别与精密位移控制器和锁相放大器连接，分别获得待测微区位置信息和光电流信号值；数据存储模块摘取测得的微区位置信息和光电流信号值，建立若干个同一频率下不同位置点的光电流信号值，将其汇总成若干个同一频率下不同位置点的光电流信号值矩阵；数据处理模块将每一个频率下不同位置点的光电流信号值矩阵处理为同一位置点不同频率值，从而计算不同微区位置的带宽值。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的优选技术方案：所述激光器包括激光控制器及激光光源，所述激光光源包括可见光及近红外波段的光源。

作为本发明的优选技术方案：所述调制系统包括马赫-曾德尔调制器、放大模块、自动偏置控制器，

所述马赫-曾德尔调制器是10 GHz高消光比强度调制器，

所述放大模块是非反相多功能RF放大器模块，当RF信号源的输出幅值有限，无法达到调制器的半波电压幅值时进行信号放大，

自动偏置控制器锁定马赫-曾德尔调制器的工作点，实现马赫-曾德尔调制器的稳定运行。

作为本发明的优选技术方案：所述确定性光路包括显微镜和可见光光源，确定性光路调节光源的照射位置使得激光光源照射到半导体光电器件上的指定位置。

作为本发明的优选技术方案：所述精密位移控制器包括位移平台及接线器，精密位移控制器控制半导体光电器件的移动，并配设光学显微镜，读取光照所在的半导体光电器件微区位置信息。

作为本发明的优选技术方案：所述PC端控制模块采用NI LabVIEW控制系统。

本发明的第二个目的在于，针对现有技术中的问题，提供一种用于半导体光电器件微区带宽测试方法。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种用于半导体光电器件微区带宽的测试方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1，选择待测量的激光器波长并调节激光器出射光功率大小；

S2，调节待测量的频率范围，进行频率调制，再进行光信号放大；

S3，步骤S2获得的光信号经确定性光路照射至半导体光电器件微区，在半导体光电器件微区进行光电转换，得到电信号；

S4，通过前置放大器为半导体光电器件提供偏压，并对电信号进行放大；

S5，利用锁相放大器对步骤S3获得的电信号进行积分放大并采集光电流信号值；

S6， PC端控制模块通过获取步骤S3获得的待测微区位置信息和步骤S5获得的光电流信号值，建立每一个频率下不同位置点的光电流信号值矩阵，从而计算出不同微区位置的带宽值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的一种用于半导体光电器件微区带宽测试系统及方法，利用PC端控制模块的获取光照所在的半导体光电器件微区位置信息及其相应微区位置的光电流信号值，组合利用精密位移控制器与锁相放大器，获得若干个同一频率下不同位置点的光电流信号值矩阵据，通过数据处理模块获得半导体光电器件的不同微区的精确带宽。在传统的带宽测试方法上首次提出了器件扫描方式来测量半导体光电器件微区的带宽，通过本发明的一种用于半导体光电器件微区带宽测试系统和方法不仅可以减小传统方法因光照射器件微区不同而导致的带宽测量误差，还可以表征器件微区最佳工作点。本发明使用方便，适用范围广，易于维护，在医学检测透视、红外探测、光电瞄具等领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的一种用于半导体光电器件微区带宽测试系统的结构示意图；

附图中，激光器101、马赫-曾德尔调制器201、放大模块202、自动偏置控制器203、位移平台401、前置放大器5、锁相放大器6；PC端控制模块

图2为本发明的一种用于半导体光电器件微区带宽测试方法的流程图；

图3为示例实验所用半导体光电器件的二维俯视图；

附图中，其中1为硅衬底，2为Ti/Al电极，3为掺硫硅结区；

图4是本发明的一种用于半导体光电器件微区带宽测试系统的结构示意图示例实验器件(图3)方框标记位置的带宽数据图；

图5为图4中第10行中20列具体的带宽值的数据；

图6为图5具体每一点归一化后的响应与频率的关系。

具体实施方式

参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。

一种用于半导体光电器件微区带宽测试系统，包括激光器、调制系统、确定性光路、精密位移控制器、前置放大器、锁相放大器和PC端控制模块。

所述激光器包括激光控制器及激光光源。激光光源包括不同波段的光，主要包括可见光及近红外波段的常见光源。激光光源主要用于照射半导体光电器件，从而产生光响应。其中激光控制器内部集成了调制模块，可以在一定范围内调节激光光源信号的频率。

所述调制系统包括马赫-曾德尔调制器、放大模块、自动偏置控制器。马赫-曾德尔调制器是10 GHz高消光比强度调制器；放大模块是非反相多功能RF放大器模块，主要用于当RF信号源的输出幅值有限，无法达到调制器的半波电压幅值时；自动偏置控制器主要用于锁定马赫-曾德尔调制器的工作点，并确保当时间和环境条件改变时依旧可以稳定运行。

所述确定性光路包括显微镜和可见光光源。显微镜和可见光光源均是为了方便调节光源的照射位置而设计，确保激光光源可以准确无误地照射到器件上的指定位置。

所述精密位移控制器包括位移平台及接线器。精密位移控制器主要控制器件的移动，精度可达1μm，具体控制由PC端软件程序控制。

所述前置放大器将采集的微弱信号进行放大，方便后续进行数据采集。

所述锁相放大器对于前方的信号进行积分放大，进行数据采集和处理，具体控制由PC端软件程序控制。

具体测试方案：

下面将结合本发明实施例中的技术效果图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。具体实施方式及说明仅用于解释本发明，但不作为对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种用于半导体光电器件微区带宽测试系统，包括激光器101、调制系统、确定性光路、精密位移控制器、前置放大器5、锁相放大器6和PC端控制模块7。激光器101包括激光控制器及激光光源。激光光源包括不同波段的光，主要包括可见光及近红外波段的常见光源，激光光源为该系统提供半导体光电器件测试所需的光源，从而产生光响应。调制系统包括马赫-曾德尔调制器201、放大模块202、自动偏置控制器203。马赫-曾德尔调制器201是10 GHz高消光比强度调制器；放大模块202是非反相多功能RF放大器模块，主要用于当RF信号源的输出幅值有限，无法达到调制器的半波电压幅值时；自动偏置控制器203主要用于锁定马赫-曾德尔调制器201的工作点，并确保当时间和环境条件改变时依旧可以稳定运行。信号发生器204为马赫曾德尔调制器提供调制信号，其控制了调制频率。

调制系统可以控制激光光源的频率，频率变化直接影响光响应的变化。确定性光路包括显微镜和可见光光源。显微镜和可见光光源均是为了方便调节光源的照射位置而设计，确保激光光源可以准确无误的照射到器件上的指定位置。精密位移控制器包括位移平台401及接线器。精密位移控制器主要控制器件的移动，精度可达1μm，具体操控由PC端软件程序控制。光纤放大器4增强已调光信号的强度，避免照射到器件光功率过小产生的光电流过小难以收集。前置放大器5将采集的微弱信号进行放大，方便后续进行数据采集。锁相放大器6对于前方的信号进行积分放大，进行数据采集和处理，具体操控由PC端软件程序控制。其中P端软件程序控制模块主要指利用所编写的NI LabVIEW控制系统进行对精密位移台的控制和对锁相放大器6的控制，其中锁相放大器6部分包括了对锁相放大器6得到的数据的读取和处理。

具体测试流程将根据技术效果图2进行详细描述：开始测量，先选择需要测量的激光器101波长并调节激光器101出射光功率大小，而后调节需要测量的频率范围并进行频率调制，再进行光信号放大。对于光信号的前期处理结束后将光调入确定性光路照射至器件微区，器件进行光电转换得到电信号，利用前置放大器5为器件提供偏压并对电信号进行放大，最终利用锁相放大器6进行数据的采集。电脑端主要利用LabVIEW控制程序进行频率和位置的控制和最终数据的处理。

实施例1

本实施例中半导体光电器件选择了一个由本实验室制作的掺硫硅器件进行测试，选取940nm激光器101并将其光电流设置为20mA；调节调制系统频率变化范围；调节位移平台401选取需要测量半导体光电器件微区位置并确定需要进行扫描的区间；调节前置放大器5的偏压为1V，调节前置放大器5放大倍数为200μA/V；调节锁相放大器6的积分时间为10ms，调节锁相放大器6灵敏度为500mV nA；最后执行程序即可得到技术效果图4相关数据。

具体实际效果图见图1-图6。图1为整体系统架构图，可以清晰的看出本发明的设计思路以及各个系统模块。图2是系统整体测试图，可以通过此图清晰的了解本实验的测试流程。图3为示例实验所用器件的二维俯视图，其为掺硫硅器件，其中1为硅衬底，2为Ti/Al电极，3为掺硫硅结区。图4是系统示例实验器件(图3)方框标记位置的带宽数据图，可以清晰的看出器件不同位置的带宽有着明显的不同。图5为图4中第10行中20列具体的带宽值的数据，该图展现了同行不同列带宽的差别,图6为图5具体每一点归一化后的响应与频率的关系，可以从该图中看出该行(图四第10行)20列数据的归一化响应均不相同，当响应下降至3dB时(即带宽)各点的频率相差较大。总体上我们用示例实验可以看出半导体光电器件不同位置的响应带宽并不相同，证明了该设计方法与系统的可行性。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于半导体光电器件微区带宽测试系统，其特征在于：包括激光器、调制系统、确定性光路、精密位移控制器、前置放大器、锁相放大器和PC端控制模块，

所述激光器提供半导体光电器件测试所需光源，

所述调制系统调控激光光源的频率，用于获得不同频率下的光响应，

所述确定性光路调节光源的照射位置，使得激光光源照射到半导体光电器件上的指定微区位置，

所述精密位移控制器通过控制位移平台控制半导体光电器件的移动，

所述前置放大器将采集的微弱电信号进行放大，输出电信号至锁相放大器；

所述锁相放大器对电信号进行积分放大，并获得光电流信号值；

PC端控制模块包括数据传输模块、数据存储模块和数据处理模块，数据传输模块分别与精密位移控制器和锁相放大器连接，分别获得待测微区位置信息和光电流信号值；数据存储模块摘取测得的微区位置信息和光电流信号值，建立若干个同一频率下不同位置点的光电流信号值，将其汇总成若干个同一频率下不同位置点的光电流信号值矩阵；数据处理模块将每一个频率下不同位置点的光电流信号值矩阵处理为同一位置点不同频率值，从而计算不同微区位置的带宽值。

2.如权利要求1所述的用于半导体光电器件微区带宽测试系统，其特征在于：所述激光器包括激光控制器及激光光源，所述激光光源包括可见光及近红外波段的光源。

3.如权利要求1所述的用于半导体光电器件微区带宽测试系统，其特征在于：所述调制系统包括马赫-曾德尔调制器、放大模块、自动偏置控制器，

所述马赫-曾德尔调制器是10 GHz高消光比强度调制器，

所述放大模块是非反相多功能RF放大器模块，当RF信号源的输出幅值有限，无法达到调制器的半波电压幅值时进行信号放大，

自动偏置控制器锁定马赫-曾德尔调制器的工作点，实现马赫-曾德尔调制器的稳定运行。

4.如权利要求1所述的用于半导体光电器件微区带宽测试系统，其特征在于：所述确定性光路包括显微镜和可见光光源，确定性光路调节光源的照射位置使得激光光源照射到半导体光电器件上的指定位置。

5.如权利要求1所述的用于半导体光电器件微区带宽测试系统，其特征在于：所述精密位移控制器包括位移平台及接线器，精密位移控制器控制半导体光电器件的移动，并配设光学显微镜，读取光照所在的半导体光电器件微区位置信息。

6. 如权利要求1所述的用于半导体光电器件微区带宽测试系统，其特征在于：所述PC端控制模块采用NI LabVIEW控制系统。

7.采用权利要求1-6任一权利要求所述的用于半导体光电器件微区带宽测试系统的测试方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1，选择待测量的激光器波长并调节激光器出射光功率大小；

S2，调节待测量的频率范围，进行频率调制，再进行光信号放大；

S3，步骤S2获得的光信号经确定性光路照射至半导体光电器件微区，在半导体光电器件微区进行光电转换，得到电信号；

S4，通过前置放大器为半导体光电器件提供偏压，并对电信号进行放大；

S5，利用锁相放大器对步骤S3获得的电信号进行积分放大并采集光电流信号值；

S6， PC端控制模块通过获取步骤S3获得的待测微区位置信息和步骤S5获得的光电流信号值，建立每一个频率下不同位置点的光电流信号值矩阵，从而计算出不同微区位置的带宽值。