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Si基Ge MSM光电探测器的研制

作　者: 蔡志猛
导　师: 李成
学　校: 厦门大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: Ge MSM光电探测器共振腔结构
分类号: TN36
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

制备响应波长在1.3和1.55μm,并具有高响应速度、高量子效率和低暗电流的高性能光电探测器,不仅是光通信技术发展的需要,也是实现硅基光电集成的需要。Ⅲ-Ⅴ族半导体材料在1.3～1.55μm具有较大的吸收系数,是理想的吸收区材料;然而,Ⅲ-Ⅴ族半导体材料价格昂贵、导热性能不好,机械性能较差,并且与现有成熟的硅基工艺兼容性差,限制了其在光电集成技术中的应用。而SiGe材料与Si基微电子器件的制作工艺相兼容,应变的外延Ge材料吸收波长扩展到了1.6μm以上,因此研究Si基外延纯Ge探测器引起人们极大兴趣。本论文就是围绕Si基外延Ge探测器开展的,研制出了工作于长波长的Si基外延Ge金属-半导体-金属光电探测器和SOI基外延Ge共振腔增强型金属半导体金属光电探测器。本论文包括材料生长、器件性能模拟以及器件的制备工艺、性能测试等研究工作,主要内容有:(1)采用超高真空化学汽相淀积(UHV/CVD)系统,通过优化生长条件,用低温缓冲层技术在Si和SOI(001)衬底上成功生长出厚的纯锗外延层。对材料的表征结果表明,外延锗层具有低的位错密度、好的结晶质量和平整的表面。(2)以共振腔增强型探测器(RCE)的理论为基础,详细分析了制约RCE探测器量子效率、波长选择性等的主要参数如前后反射镜的反射率、吸收长度等。利用传输矩阵方法理论模拟了SOI基纯Ge RCE-MSM探测器的性能。(3)详细研究了Ge探测器的制作流程和关键工艺技术,在现有的条件下摸索了小尺寸线条的光刻、ICP干法刻蚀等参数对线条、侧壁粗糙度的影响,成功制备出Si基Ge MSM探测器和SOI基Ge RCE-MSM探测器。(4)测试并分析了器件的电学特性和光谱响应。结果表明:两种结构的探测器都具有较小的暗电流。在8V偏压下,SOI基纯Ge MSM探测器和Si基纯GeMSM探测器在1.55μm处的响应度分别为1.45mA/W和0.63mA/W。并观察到RCE MSM探测器的的共振效果。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-13
第一章绪论  13-26
  1.1 Si基SiGe光电探测器的研究进展  13-16
    1.1.1 SiGe/Si多量子阱材料探测器  13-15
    1.1.2 高组分表面起伏的多量子阱和Ge量子点材料探测器  15-16
  1.2 Si基纯Ge材料外延及其光电探测器发展  16-20
    1.2.1 组份渐变SiGe弛豫衬底上生长Ge层  17
    1.2.2 组份跳变Si_(1-x)Ge_x缓冲层再外延Ge层  17-18
    1.2.3 低温生长的柔性衬底上再外延比较厚的Ge层  18-19
    1.2.4 热应力增强Ge吸收  19-20
  1.3 器件结构的选择  20-22
  1.4 本论文的主要工作和创新点  22-24
  参考文献  24-26
第二章金属-半导体-金属共振腔增强型探测器的基本理论  26-41
  2.1 MSM探测器的基本理论  26-34
    2.1.1 MSM探测器的工作原理  26-30
    2.1.2 MSM探测器的电流-电压特性  30-31
    2.1.3 MSM探测器的电容-电压特性  31-32
    2.1.4 MSM探测器的几个主要性能参数  32-34
      2.1.4.1 响应度和量子效率  32
      2.1.4.2 响应时间τ  32-33
      2.1.4.3 暗电流I_D  33-34
  2.2 RCE探测器理论  34-39
    2.2.1 RCE探测器自恰解析理论  34-35
    2.2.2 RCE探测器传输矩阵模拟  35-37
    2.2.3 影响RCE探测器量子效率的因素  37-38
    2.2.4 RCE探测器的波长选择特性  38-39
    2.2.5 RCE探测器的驻波效应  39
  2.3 本章小结  39-40
  参考文献  40-41
第三章 Si基外延纯Ge材料的生长及表征  41-53
  3.1 生长及表征设备介绍  41-45
    3.1.1 本实验室材料生长设备介绍  41-44
    3.1.2 材料表征设备  44-45
      3.1.2.1 双晶X射线衍射测试技术(DCXRD)  44-45
      3.1.2.2 原子力显微镜(AFM)  45
  3.2 Si基外延Ge薄膜生长及表征  45-51
    3.2.1 Si基外延Ge薄膜的生长及表征  45-49
    3.2.2 SOI基外延Ge薄膜的生长及表征  49-51
  3.3 总结与讨论  51-52
  参考文献  52-53
第四章 Si基Ge探测器的制作与性能测试  53-79
  4.1 Si基外延纯Ge MSM光电探测器  53-69
    4.1.1 MSM光电探测器的设计  53-55
    4.1.2 Si基外延纯Ge MSM光电探测器的制作工艺  55-64
    4.1.3 Si基外延纯Ge光电探测器的性能测试和结果讨论  64-69
      4.1.3.1 器件的Ⅰ-Ⅴ特性  64-65
      4.1.3.2 光响应谱特性  65-67
      4.1.3.3 响应度的测试  67-69
  4.2 SOI基纯Ge探测器  69-77
    4.2.1 SOI基纯Ge RCE探测器的结构设计和模拟  69-72
      4.2.1.1 器件结构设计  69-70
      4.2.1.2 布拉格反射镜的设计和综合优化  70-72
    4.2.2 SOI基纯Ge探测器的制备和测试  72-77
      4.2.2.1 SOI基纯Ge RCE-MSM探测器的制备  72-73
      4.2.2.2 SOI基Ge探测器的性能测试和结果讨论  73-77
        4.2.2.2.1 器件的Ⅰ-Ⅴ特性  73-74
        4.2.2.2.2 光响应谱特性  74-75
        4.2.2.2.3 响应度的测试  75-77
  4.3 本章小结  77-78
  参考文献  78-79
第五章结语  79-80
硕士期间发表的论文  80-81
致谢  81

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