（凝聚态物理专业论文）si基ge+msm光电探测器的研制.pdf

摘要 制备响应波长在1 3 和1 5 5 岬，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。i i i v 族半导体材料在1 3 1 5 5 9 m 具有较大的吸收系数，是理想的吸收区 材料；然而，i i i 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s i g e 材料与s i 基微电子器件的制作工艺相兼容，应变的外延g e 材料吸收波长扩展到了 1 6 p m 以上，因此研究s i 基外延纯g e 探测器引起人们极大兴趣。本论文就是围绕 s i 基外延g e 探测器开展的，研制出了工作于长波长的s i 基外延g e 金属半导体金 属光电探测器和s o i 基外延g e 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( u h v c v d ) 系统，通过优化生长条件，用低 温缓冲层技术在s i 和s o i ( 0 0 1 ) 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( r c e ) 的理论为基础，详细分析了制约r c e 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s o i 基纯g er c e m s m 探测器的性能。 ( 3 ) 详细研究了g e 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、i c p 干法刻蚀等参数对线条、侧壁粗糙度的影响，成功 制备出s i 基g em s m 探测器和s o i 基g ei e m s m 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8 v 偏压下，s o i 基纯g em s m 探测器和s i 基纯g e m s m 探测器在1 5 5 1 t m 处的响应度分别为1 4 5 m a w 和0 6 3 m a w 。并观察到 r c em s m 探测器的的共振效果。 关键词：g e ，m s m 光电探测器，共振腔结构 a b s t r a c t d e v e l o p m e n to fp h o t o d e t e c t o r so p e r a t i n ga t1 3 一1 6 “mw a v e l e n g t h ，w i t l lh i g h r e s p o n s es p e e d ，h i 曲q u a n t u me f f i c i e n c ya n d l o wd a r kc u r r e n t ，a r en o to n l yt h en e e d f o ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o n , b u ta l s ot h en e e df o rs i l i c o n b a s e do p t o e l e c t r o n i c i n t e g r a t i o n - vs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l sh a v el a r g e ra b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ti nt h e 1 3 - 1 5 5 阻，h o w e v e r ，- vs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l sa l et o om u c he x p e n s i v e ，a n d t h e i rt h e r m a lc o n d u c t i v i t yp r o p e r t i e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r ep o o r i na d d i t i o n , t h e ya r en o tc o m p a t i b l ew i t l lt h ee x i s t i n gm a t u r es i l i c o n b a s e dt e c h n o l o g y , w h i c h l i m i t si t sa p p l i c a t i o ni nt h ei n t e g r a t e do p t o e l e c t r o n i c s s i g em a t e r i a li s c o m p a t i b l e w i t l lt h ee x i s t i n gm a t u r es i l i c o nt e c h n o l o g y f u r t h e r m o r e t h ea b s o r p t i o nw a v e l e n g t h o fs t r a i n e dg eh a s e x p a n d e d t o 1 6 岬i n t h i s p a p e r , s i - b a s e d m e t a l s e m i c o n d u c t o r - m e t a l ( m s m ) p h o t o d e t e c t o r s a n ds o i b a s e d r e s o n a n t - c a v i t y e n h a n c e d ( r c e ) m s mp h o t o d e t e c t o r sf o r1 3 - 1 6 p mo p e r a t i o na r e f a b r i c a t e d l ( 1 ) t e n s i l ys t r i a n e dg et h i nf i l m sa r es u c c e s s f u l l yg r o w no ns ia n ds o i s u b s t r a t e sw i t hac o m b i n a t i o no fl o wt e m p e r a t u r es i g ea n dg eb u f f e rl a y e r sb y u h v - c v d h i g hc r y s t a lq u a l i t y ，l o wd i s l o c a t i o nd e n s i t ya n dl o wr o g h n e s so ft h eg e l a y e ra r ec h a r a c t e r i z e d ( 2 ) t h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e r so i lt h ep e r f o r m a n c eo fm s mp h o t o d e t e c t o r s i n c l u d i n gq u a n t u me f f i c i e n c y , w a v e l e n g t hs e l e c t i v i t yi st h e o r e t i c a l l ys t u d i e di nd e t a i l s t h e p a r a m e t e r ss u c ha sr e f l e c t i v i t yo ft h ef r o ma n dr e a rm i r r o r s ，a b s o r p t i o nl e n g t ha r e o p t i m i z e dt oo b t a i nh i g hq u a n t u me f f i c i e n c y ( 3 ) t h ep r o c e s s e sa n dt h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rf a b r i c a t i n gg ep h o t o d e t e c t o r sa r e i n v e s t i n g a t e d t h ec o n d i t i o n sr e l a t e dt op h o t o l i t h o g r a p h ya n dv a r i o u sp a r a m e t e r so f i c pa r eo p t i m i z e d m s mg ep h o t o d e t e c t o ra n dr c e - m s mg ep h o t o d e t e c t o rh a v e b e e ns u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e d ( 4 ) e l e c t r i c a lp e r f o r m a n c ea n ds p e c t r a lr e s p o n s eo ft h ed e v i c e sa r em e a s u r e d r e l a t i v e l ys m a l ld a r kc u r r e n th a sb e e no b t a i n e df o rb o t ht y p e so ft h ep h o t o d e t e c t o r s t h er e s p o n s i v i t yo ft h es i b a s e dg em s m p h o t o d e t e c t o r sa n ds o i b a s e dr c e m s m p h o t o d e c t o r sa r e1 4 5 m a wa n d0 6 3 m a wa t1 55 a m f o rr e v e r s eb i a so f8 v ， r e s p e c t i v e l y t h er e s o n a n te f f e c tc a n a l s ob eo b s e r v e d k e y w o r d s ：g e ，m s mp h o t o d e t e c t o r , r e s o n a n tc a v i t y 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权 利和责任。 声明人( 签名) ：劈当扔一 2 0 0 8 年月乡日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保留 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论文用 于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的 内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的 学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 ， 2 不保密( v 6 ( 请在以上相应括号内打“”) 作者签名：麓左拉 日期：4 - y - 留年 f 月 日 导师签等! ，李吣日期：川年舌月多日 第一章绪论 第一章绪论 2 1 世纪，随着科学技术的高速发展，数据的保存、信息的传输也将逐渐步入 光子时代。s i 是信息领域中最重要的半导体材料，在微电子领域已获得了巨大的 发展，然而由于它的间接带隙特性限制了它在光电子领域的应用，如何实现其与 光电子器件的集成，即实现光电集成接收机芯片一直是人们追求的目标。 早在1 9 9 5 年，e j e c k a m t l 】利用键合技术将t n o a a s h t p 材料键合在s i 衬底上制备 了响应波长在1 5 5 微米、外量子效率为8 0 的p i n 结构的光电探测器。虽然一 v 材料在这方面的工艺已经比较成熟并已进入产业化阶段，但由于它i ：匕s i 贵十倍 的价格、比较差热学机械性能和晶体质量、同时不能与现有的成熟的s i - f 艺兼容 等缺点限制了它在s i 基集成器件方面的应用。 s i g e 材料可与现有的成熟的s i 工艺完全兼容，通过优化生长条件可以使其 带隙扩展到光通讯波段，特别是纯g e 在1 3 1 5 5 呻黻段具有较强的吸收，适合于 硅基长波长光电探测器，这引起了人们很大的兴趣，通过近年来的努力，硅基长 波长探测器性能在不断地提高。 下面我们将简单介绍一下s i g e 材料在材料生长及探测器研制方面的主要进 展。 1 1si 基s ig e 光电探测器的研究进展 由于s i g e 合金是间接带隙材料，在近红外波段，吸收系数较直接带隙材料的 要小( 小于1 1 0 2 c r n 1 ) ，制作成的探测器响应速率和量子效率非常低，因此在光通 信领域的应用有很大的局限性。然而随着材料科学的发展和生长设备的提高，通 过物性改造如能带工程、纳米工程、s i 的化合物等方法，改变了硅基材料在光电 子领域的被动局面，因此探索可与硅基微电子电路实现单片集成的硅基光电子器 件再次成为近年来的研究热点。 1 1 1s i 6 e s i 多量子阱材料探测器 s i 基g e m s m 光电探测器的研制 高性能的探测器应具备在响应波段有高量子效率、低暗电流以及高带宽的 特点。吸收区应选用吸收系数大的材料，并且材料的缺陷要少。由于s i g e 应变 的存在，使得s i g e 的禁带宽度变小，当g e 组分达到0 6 以上时，s i g e 的禁带 宽度甚至比g e 的禁带宽度还要t j 、 2 1 ，这就为利用s i g e 应变材料制作探测波长 为1 3 - l 。5 5 岬的探测器提供了可能。s i g e s i 应变超晶格材料中，应变使带隙 变小，平均组份使临界厚度增加，增加了有效吸收，并且减少了位错。于是人 们采用s i g e s i 应变超晶格作为吸收区。1 9 8 6 年a t & tb e l l 实验室的t e m k i n 首 先提出了s i g e s i 多量子阱波导型p i n 光电探测器的结构【3 】，器件结构如图1 1 所示，在1 3g m 处量子效率达到1 0 ，漏电流为0 4 衅。1 5 1 x m 处量子效率只 有2 ，暗电流密度为7 m a c m 2 。h u a n g 4 1 c i t ys i o 5 g e o 5 s i 超晶格垂直入射探 测器，材料结构如图1 2 ，在1 3 w n 处量子效率为l 暗电流密度为6 0 m a c m 2 。 $ a 晰c t 脚 s 2 “ 右 s - 1 ga - ( r 疆i o l s l x l 0 1 0 )2 0 0 n - & ( 1 t 1 0 t $ 缸1 0 1 8 ) 2 , 0 0 0 a 卜o t - o j o ) i o l 1 0 0 i 斟 t o l 4 0 0 x 1 0 i p 翻b u t l e r ( k l o m ) 3 , 0 0 0 a 图1 1s i g e s i 多量子阱波导型p i n 光电图1 2s i o s g e o - 5 s i 超晶格垂直入射 探测器探测器 s i g e s i 应变超晶格探测器的缺点是吸收系数小，量子效率低。要提高吸收 系数就要提高g e 组份，而这样又会降低吸收区厚度，增加位错。于是人们就 提出了另一种思路一从器件结构设计上增加光的有效吸收长度来弥补吸收系 数太小的缺点于是便有了共振腔增强型( r c e ) 探测器。中科院半导体所李成等【5 ， 刎以s o i 为衬底，其上外延生长了s i g e s i 多量子阱吸收区，淀积多对s i s i 0 2 形成另一上反射镜，与s o i 衬底形成共振腔，分别制作了s i o 6 5 g e o 3 # s i 多量子 阱正入射和背入射r c ep i i n 探测器。器件正入射结构如图1 3 所示。正入射时， 在谐振波长1 2 8 5 9 m 处响应度为6 5 m a w ，量子效率达到3 5 ；背入射时，在 2 上蛳t 第一章绪论 谐振波长1 3 0 5 p m 处响应度达3 1 m a w 解决了正入射中底反射镜反射率难于提 高的难题，分别比h u a n g 4 采用g e 组份o 5 制作的探测器的量子效率提高了4 和1 5 倍。 然而，由于应变s i g e 仍是是间接带隙材料，吸收系数限制了它对1 3 岬 以上波长光的有效吸收，g e 组分应在o 5 以上才能有更大的吸收系数，此时临 界厚度将成为限制量子效率的主要因素。 l 土k 图1 3s i o 6 5 g e 4 3 5 s i 正入射探测器结构示意图 1 1 2 高组分表面起伏的多量子阱和g e 量子点材料探测器 对于s i g e 失配引起的应力释放方式有两种：产生位错和形成表面起伏。对 于高组分s i g e 层，其厚度超过临界厚度时，应力以表面起伏形式释放；而生长 低组分s i g e 层时，应力将以产生位错的形式释放 7 1 。i b m i 拘t r o m p 8 1 指出：g e 组分小于0 2 不会形成表面起伏，即不生成三维岛，材料以平坦的形态生长直至 产生位错释放应力；g e 组分大于0 6 时则遵循类似生长纯g e 时的s k 模式三维生 长；g e 组分介于0 2 - - 0 6 之间生成s i g e 合金，将会导致台阶形成，诱导生成均 匀的三维岛，这是由生长时的不稳定性引起，而非传统的成核过程。 对于g e s i s i 多量子阱，是通过g e 组分的加入，实现在1 3 岬波长有明显 的响应峭母j 。但要实现1 5 5 岬的响应，必须提高s i g e 中g e 的组分，并且增加 s i g e 层的厚度以尽量减少量子限制效应，由于g e 和s i 之间存在着严重的晶格 失配，且g e 的表面能比s i 小，在s i 上外延高组分的s i g e 合金，厚度超过临 界厚度时，应力以表面起伏形式释放，图1 4 给出了s i o 5 g e o 5 合金多量子阱， s i 犁g e m s m m 电* 洲# 的目“ 餍划为10 的t e m 图蒙，从中可以看出量了阱材料发生，明显的起伏，没有位 错产生表而起伏的s i g e $ i 多量子阱材料响应波长n ，以延伸到16g m ，可以 实现15 5u m 的光响应n d a n x i a x u 小组利用u h v - c v d 方法在5 2 5 生长了 表而起伏的s l o ；g 。o5 多量子阱材科，做成m s m 结构的光电探测器器件在15 2 u m 的光响应度为01 2 a w i ” 。另一种方泣生长高组分的s i l 。g e 。遵循典型的 s k 模式超过临界厚度后，将发生三维牛长，出现g c 纳米岛以释放应力能， 中科院、# 导体所的李传波j 利口g e 纳米岛制作成的垂直腔r c e 探测器结构如 图15 ，器件15 4 4 u m 处响应度为00 2 8 m a w ，。5 v 偏压下暗电流密度为5 】 1 0 。u u m 2 。 图1 4 表面起伏的s i 0 5 g e os 多量子阱 t e m 照 图1 5g e 纳米岛制作成的垂直腔 r c e 探测器 12s i 基纯g e 材料外延及其光电探测器发展 相对于s i g e 材料来说g e 材料具有带隙小、吸收系数大、迁移率高等优 加j 其与s i1 芝兼容，被j 泛的腑用到s l 基探测嚣的研制中。然而g e js i d 自格失w i 达42 ，g e 的临界厚度h 有几个原子层g e 村料的生长困难成为了 g e 搛删器发胜的瓶预。虽然采崩g e 弩r 点作吸收区的探测器也被广泛研制， 但是有效吸收k 度a 小，量了效奎报低。近年来，材料生k 技术的进步和设备 的改进，三经能够托蜀基上生长出高质量( j e 层，s l 基0 e 探测器樗以飞速发 展。 第一章绪论 1 2 1 组份渐变s i g e 弛豫衬底上生长g e 层 早在1 9 8 4 年，l u r y i 等【l2 】利用分子束外延( m b e ) 首次在组份渐变的s i l x g e x 缓冲层( 组份x 从0 1 ) 上生长了1 2 5 t x mi 1 + 的g e 层，紧接着是2 0 i t m 本征g e 层和p + g e 层( 0 2 5 u r n ) 。制成了p i n 结构g e 探测器。g e 层的位错密度为1 0 9 c m 2 ， 在1 4 5 1 m a 处量子效率达4 1 ，暗电流密度为5 0 m a e m 2 。器件性能良好。 s a m a v e d a m 1 3 】采用组份渐变缓冲层加上化学机械抛光( c m p ) ，经过二次外延， 在1 0 1 t ms i g e 缓冲层上生长出高质量的纯g e 。制作的探测器结构如图1 6 所示， 在1 3 9 m 处量子效率高达1 2 6 ，暗电流密度只有0 1 5 m a c m 2 。 呻c _ 9 2 g e 7 6 g e 5 0 g e n + g c lo c - 耐l j u m 5 5 0 c 3m t 1 0 g e t t t r t 7 5 0 * c 2 sm t i o a og e i m n 榭c 2 5m t s i ( 0 01 ) m i s c t t t 窖u b s n 丑忙 c m p 图1 6 组份渐变s i g e 弛豫衬底上生长g e 层制得的探 测器 这种方法通过缓冲层g e 组份以1 0 p m 的变化速率从o 变到1 ，逐步释放 g e 与s i 之间的应力，把位错限制在缓冲层内因此位错密度很低。然而缓冲层 的厚度往往高达1 0 p m ，不仅生长时间需要很长，而且热导性变差，不利于集成。 由于生长困难，很多年以来g e 材料的生长和探测器的制备都没有取得太大的 进展。 1 2 2 组份跳变s i l - i g e x 缓冲层再外延g e 层 用超高真空化学汽相淀积( u h v c v d ) 技术生长低温g e 层非常困难，生 长温度过低，g e 层长不上；温度过高，g e 层表面起伏严重。为了降低缓冲层 的厚度最近l 1 1 0 等提盯九两层组份跳变s u ，g e 。缓冲层的方浊：采用两层小 同绡份的s i h g e 、层作缓冲层，每生长完层s u ，g e 。层后进行原位退火，最后 冉生长纯g e 腻。如图17 所示，他们在s l 衬底上依次生长了08 9 m 的s 1 0 1 0 e o9 、 08 “m 的s l oo t g e 。9 5 以及l , a m 的g e 层。通过制整两层s i g e 的组份和厚度，界 面处的失配应力能够有被地阻j t 位错向卜传播，将大部分位错“俘获”在界m 】 处，从而降低了o e 层的位错密度。得到的g e 表面粗糙度为32 n m ，位锚密度 30 x 1 0 6 c m 。i t u a n g 等在此基础上调擎了两层s i g e 层的组份，把缓冲层的总 厚度降低到，04 6 9 m ，外延出17 9 m 厚的0 e ，g e 层的位错密度为7 x 1 0 c n l ， 表而籼糙度为47 n m 。如陶18 所示，制得的探测器在01 v 偏压下，13 p m 波长 的响应度在为06 2 a w ，3 d r 带宽达到了2 15 g h z l l ”。 组份跳变的s i g c 层作缓冲层，通过界碡j 应力限制r 位错的传播，人人降低 r 缓冲层的厚度，解决，组份渐变s i g e 所遇到的牛长周期长以及热导件能筹， 不利于集成的缺点址斯基外延纯g e 材料的一次巨大发展。 r 1 叠1 巨! 型。 一o “u m 、r 一 图1 7 组分跳变外延生长的材料t e m 图 图1 8s i 基外廷g e 探测器结构示意图 像 123 低温生长的柔性衬底上再外延比较厚的g e 层 近年来，l ua | l 等圳报道了外延g e 的另一种方法低温一高温两步法。先 存低温3 5 0 j - 牛长3 0 5 0 n m 的g e 层作为缓冲层，弛豫晶格失配应力，并获 群干r | 对平整的袁丽。接着存6 0 0 c 尚濡下快速牛k 岛质昼厚g e 层。此泣得到的 g e 外延利料，表而廿常甲整，相糙度为l n m ，但是位错密度比较高，需要进 步的循环越止柬降低g e 层的位错皆度。如陶19 给了绎过和没仃绎过退火的 样品t e m 图像，从图中可以看出经过退火后的样品位错密度明显下降。l i u 锋 1 1 7 帅此订浊生长了23 5 9 m g e 层，制备的光电探测器的暗电流密度在1 v 偏压f 低于1 0 m a f c m 2 ，零偏压下15 5 9 i n 处的响应度为5 2 0 m a w 。 ! 竺r + p 2 2 9 f “5 ”+ 脚百“5 ” 图1 9g e 屋t e m 图片( a 1 为束经过退火样品( b ) 为经过循环退火 后的样品 n a k a t s u r u 】”啪i ，o h i ”i 等提出_ ，改进的低温高温曲步泣：生长低温g ez 前 牛长一层超溥低温s i g e 缓冲层( g e 组份0 2 05s i g e 层厚崖5 3 0 m a ) 。利爿j 低温s i g e 层来吸收部分应儿，提供g e 原子的成核匹，压制位错。得到的g e 层表面平坦，即使没有别样品进行遇火处理，也得到较低的位锖管度 ( 6 1 0 6 c 1 3 3 2 ) ，实验制得的探测器在一1 v 偏压r 暗电流常度仅为15 - 2 m a c m 2 ， 3 d b 特宽超过15 g h z 口”l 。 1 2 4 热应力增强g e 吸收 m i ty a s u h i k oi s h i k a w a d 、组2 2 】发现直接牛长存s ik 群l g e 带隙缩小光吸收 增强的现象，他们认为是s j 和g e 热膨胀系数不同引起的。g e 的热膨胀系数b l s i 大，高温生长的弛豫g c 层，纷却到室温时受到张应力，应力的大小为： s 山。= ( 1 r ) ( k 。f j 。+ ，f ；，) 6 i ，。f 。( k 。+ k ) ( 1 _ 1 ) 。：型生2 坐：丛，：型：型型：( 1 - 2 ) 3 k ，。，。k ( f i j 【+ k ) 2 + ( 耳。f ，+ k k ) ( 圪，f ：。+ ，j ) 7 。，。和，。分别为g e 和s l 的厚度ry 为扬式模最j 7 = ( q + 2 二) ( qq ) ，( 。+ q ：j ，q - 和c ：为弹性张量d 。和d 。分别为s j 和g e 的热膨胀系数。应力会影l 】自能带结构， 改变带隙，重空穴和轻空穴直接带隙和应力的戈系为： s j 基g e m s m 光电探测器的研制 ( 刎= 一万+ 1 2 万比( 1 - 4 ) ( 伪) = 一峨一1 4 砜+ l 2 a - ( 1 2 ) a 2 + 瞩+ ( 9 4 ) ( 万如) 2 ( 1 - 5 ) 霹为无应力时直接带隙，万和万厶为静形变势和剪切形变势，为自旋 轨道分裂能。艿= 一2 a ( 1 一c 1 2 c 1 le ，万厶= _ 2 6 ( 1 + q 2 q 1 ) 勃，霹= 0 8 0 2 e v ， a = 0 2 8 9e v ，a = 一8 9 7e v ，b = 一1 8 8e v 。图1 1 0 为直接带隙与应力的关系。 当6 = o 2 时，直接带隙将缩小为o 7 7 e v 。材料的带隙变小将增大对光吸收，从 图】1 看出应力位吸收系数增大。并目位截1 e 波长向长波长延伸。 图1 1 0 直接带隙与应力的关系图1 1 1 张应力0 2 的g e 和体 g e 的吸收系数 热失配引入了0 2 张应力，使g e 的直接带隙从0 8 e v 缩d , 至u o 7 7 e v ，增大了 g e 的吸收系数，扩展了吸收波长，使s i 基g e 探测器对c 带和l 带的探测成为可能。 l i u 2 3 】利用这种特性制成高性能的s i 基p i - ng e 探测器，探测波长覆盖了整个c 带 和大部分l 带。本征吸收区g e 厚度为2 4 1 t i n ，热膨胀失配引入的张应力为0 2 。 偏压为1 v 时，在o 8 5 、o 9 8 、1 3 l 、1 5 5 和1 6 0 5 1 t m 波长处的响应度分别可达o 5 5 、 0 6 8 、0 8 7 、o 5 6 和0 11 a w 。适用于光互连和光通信，并且驱动电压低，可以满 足s i 超大规模集成电路( u l s i ) 低工作电压的要求。 1 3 器件结构的选择 由于光纤通信容量大、价格低、保密性好等因素，随着他的技术发展日趋成 8 u邑芑差叠5置备e叠墨i 第一章绪论 熟，f 1 2 0 世纪8 0 年代以来进入高速发展时期。对其中光电信号接收和转换的重要 器件光电探测器也不断提出更高的要求。 从光的入射方向来讲，探测器可分为面入射和边入射结构两种类型。p i n 结 构和m s m 结构是典型的面入射结构，而波导型结构是典型的边入射结构。从探测 器的内部增益来讲，可分为普通p i n 结构、m s m 结构或肖特基结构探测器和有内 部增益的雪崩倍增二极管( a p d ) 和异质结光晶体管( i - i p t ) 。 传统的p i n 光电二极管为了提高响应度，一般做法是将吸收区的厚度设计为 一个吸收长度，使得入射光能够在探测器中得到充分的吸收，从而提高探测器的 量子效率。然而由于间接带隙材料吸收系数很小，吸收长度的量级达几个微米以 上这就限制了探测器的响应速度，g e 在1 5 5 1 t m 波长的吸收系数仅为4 5 6 c m 。1 吸收 长度高达2 2 9 m 。要外延这么厚的g e 层显然不现实，况且这么厚的吸收区响应速 度也将很小。 现代光通信带宽和容量的不断提高，探测器需要有很快的响应速度，这就要 求吸收层的厚度不能太厚。另外从探测器与电子电路集成兼容的角度考虑，吸收 层也不能太厚，这就使得探测器的量子效率难以进一步提高。为了提高探测器的 量子效率，一种方法是将探测器结构设计成波导型，在这种结构中光的传播和吸 收沿着波导方向，而载流子输运则沿着与之相垂直的方向。对于吸收系数较小的 g e 材料，要得到高的量子效率，波导长度就要做的很长，这将使探测器的面积 增大，响应速度减慢，未能从根本上解决速度与效率的矛盾，而且由于波导层较 薄，耦合效率低成为制约量子效率提高的一个不利因素。 采用有内部增益雪崩倍增光电二极管( a p d ) 可以将微弱信号放大从而可以 提高探测器的响应度，但是它同时也对暗电流进行放大，使得噪声增加。 近年来发展起来的另一种更为有效的器件是共振腔增强型( r c e ) 探测器。 该结构中有源区位于由上下反射镜构成的共振腔内，入射光经腔面多次反射产生 谐振模。满足谐振条件的入射光经共振腔的多次反射，光程增加，使薄层有源区 探测器的光响应度提高，这对s i g e 材料体系尤为重要。由于受临界厚度的限制， 有源区g e 材料不可能长的太厚，所以采用r c e 结构是最为理想的选择。r c e 理论 最早是由c h i n 和c h a n g 提出【2 4 1 ，并由他们首次实验研制了i n g a a l a ss c h o t t k y 光电二极管，观察到了共振现象，证实了r c e 探测器的共振增强作用。该结构既 9 s i 基g e m s m 光电探测器的研制 可以提高探测器的量子效率带宽积，又具有波长选择性，理论上共振腔结构特别 适合于吸收系数小的材料制作的探测器。 自1 9 7 1 年s m s z e 等【2 5 】了一种新型的在一块半导体两面分别形成金属半 导体肖特基接触( m s m ) 结构的器件之后，m s m 结构的探测器迅速得到发展。 总体上讲m s m 结构的探测器由于它的平面器件结构，因此制作工艺简单，同时 具有响应速度快的特点。由于m s m 探测器的结构为两个背对背的二极管，工作 时，总有一支二极管为反向偏置。所以器件本征电容小，而且随电压变化不大。 同时m s m 探测器为金属半导体结构器件，没有少子效应，串联电阻小，r c 时间常数也小。其速度主要取决于广生载流子在两电极之间的渡越时间( 即与电 极间距成反比) ，所以响应速度高。 综合考虑工艺制备难易度、器件性能结合我们外延g e 材料结构特点，我们将 采用m s m 结构来制备探测器。另外我们的材料是利用超高真空化学汽相淀积 ( u h v c v d ) 在s i 衬底和s o i 衬底上外延的纯g e ，外延材料厚度不高，加上g e 的吸收系数不高因此采用r c e 将是个理想的选择。对于s o i 衬底外延的纯g e 材料 可以利用s o i 衬底现成的s i s i 0 2 界面作为反射镜，在制成的m s m 探测器上再淀积 上多层反射膜作为上反射镜，制备方便。 1 4 本论文的主要工作和创新点 本论文的主要工作是分别在s i 和s o i 衬底材料上外延出高质量的纯g e 层， 并在此基础上研制长波长s i 基g e 光电探测器，以研制出s o i 基纯g er c e m s m 探测器为最终目标。r c e m s m 探测器是以s o i 衬底的s i s i 0 2 为下反射镜和通 过电子束真空镀膜机淀积氧化硅及五氧化二钽作为上反射镜形成共振腔。第一 章评述了课题选择的应用背景，综述了s i g e 探测器的研制水平和结构形式，以 及g e 材料的外延和探测器的制备进展，提出了制备r c e m s m 探测器的可行 性。第二章主要介绍了m s m 探测器和r c e 探测器的理论基础，分析了影响 r c e 探测器的各种因素。第三章主要介绍制备探测器材料的生长与表征。第四 章给出了器件的结构设计和模拟，详细介绍了探测器的制备过程，给出了实验 测试结果。 本文主要创新点有如下几点： 1 0 第一章绪论 ( 1 ) 在s i 基上利用低温高温两步法，结合低温s i g e 和g e 作缓冲层，在 s i 和s o i 衬底上成功的外延出了高质量的g e 薄膜。 ( 2 ) 利用s i 基外延纯g e 材料制备出了m s m 结构长波长光电探测器，得到 较低的暗电流，响应波长扩展到1 6 1 t i n 。 ( 3 ) 以s o i 衬底的s i s i 0 2 界面作为下反射镜，通过在g e 上淀积上反射镜 制作成s o i 基g e 共振增强型m s m 探测器，并观测到了共振效应。 本论文工作得到了国家自然科学基金( n o 6 0 6 7 6 0 2 7 & 5 0 6 7 2 0 7 9 ) 、福建省 重点科技项目( n o 2 0 0 6 h 0 0 3 6 ) 、国家重点基础发展研究计划 ( n o 2 0 0 7 c b 6 1 3 4 0 4 ) ，教育部回国留学人员启动基金的资助。 s i 基g em s m 光电探测器的研制 参考文献： 【l 】1f e e j e c k a m ，c l c h u a , z h z h ue ta 1 h i g h - p e r f o r m a n c ei n g a a sp h o t o d e t e c t o r so ns i a n dg a a ss u b s t r a t e s j a p p l p h y s l e t t ，19 9 5 ，6 7 ( 2 6 ) ：3 9 3 6 - 3 9 3 8 【2 】r p e o p l e d i r e c tb a n dg a po fc o h e r e n t l y s t r a i n e dg e s ib u l ka l l o y so n s i l i c o n s u b s t r a t e s 【j 】p h y s r e v ，1 9 8 5 ，3 2 ：1 4 0 5 【3 】h t e m k i n , t p p e a r s a l l ，j c b e a n , e la 1 g e s is t r a i n e d - l a y e r s u p e r l a t t i c ew a v e g u i d e p h o t o d e t e c t o r so p e r a t i n gn e a r1 3 p r o 叨a p p l p h y s l c t t , 1 9 8 6 ，4 8 ( 1 5 ) ：9 6 3 - 9 6 5 【4 】h u a n g ，f y ，e ta 1 ，n o r m a l - i n c i d e n c es t r a i n e d l a y e rs u p e r l a t t i c eg e 0 5 s i 0 5 s ip h o t o d i o d e s n e a r1 3i n n a p p l i e dp h y s i c sl e a e r s ，1 9 9 5 6 7 ( 4 ) ：p 5 6 6 - 5 6 8 【5 】c l i ，e ta 1 ，b a c k - i n c i d e n ts i g e - s im u l t i p l eq u a n t u m w e l lr e s o n a n t - c a v i t y - e n h a n c e d p h o t o d e t e c t o r sf o r1 3 - p mo p e r a t i o n p h o t o n i c st e c h n o l o g yl e a e r s ，i e e e ，2 0 0 0 1 2 ( 10 ) ： p 1 3 7 3 - 1 3 7 5 【6 】c l i ，e ta 1 ，s i l x g e x s ir e s o n a n t - c a v i t y - e n h a n c e dp h o t o d e t e c t o r sw i t has i l i c o n - o n - o x i d e r e f l e c t o ro p e r a t i n gn e a r1 3 岬l - a p p l i e dp h y s i c sl e t t e r s ，2 0 0 0 7 7 ( 2 ) ：p 15 7 - 15 9 【7 】j t e r s o f fa n dek l e g o u e s c o m p e t i n gr e l a x a t i o nm e c h a n i s m si ns t r a i n e di a y e r s j p h y s r e v i e wl e t t ，1 9 9 4 ，7 2 ( 2 2 ) ：3 5 7 0 - 3 5 7 3 【8 】r m t o m p ，f m r o s s ，e ta 1 i n s t a b i l i t y - d r i v e ns i g ei s l a n dg r o w t h 【j p h y s r e v i e w l e t t ，2 0 0 0 ，8 4 ( 2 0 ) ：4 6 4l _ 4 6 4 4 【9 】h l a f o n t a i n e ，n l r o w e l l ，s j a n z , e t a 1 g r o w t ho fu n d u l a t i n gs i 0 5 g e o 5 l a y e rf o r p h o t o d e t e c t o r sa t1 5 5 岬【j 】j a p p l p h y s ，19 9 9 ，8 6 ( 3 ) ：12 8 7 12 9 1 【10 】d x x u , s j a n z , h l a f a o n t a i n e ，e ta 1 p h o t o d e t e c t o r sf o r1 3p ma n d1 5 p mw a v e l e n g t h s u s i n gs i g eu n d u l a t i n gm q wo ns o ls u b s t m t e s 【j 】s p i e ，1 9 9 9 ，3 6 6 0 ：5 0 - 5 7 【i1 】c b l i ，r w m a o ，y h z u o ，c ta 1 1 5 5 岬g ei s l a n d sr e s o n a n t - c a v i t y - e n h a n c e dd e t e c t o r w i t hh i g h -