（凝聚态物理专业论文）sige波导共振腔增强型光电探测器.pdf

摘要 传统的s i g e p i n 光电探测器在向高响应速度和高量子效率发展的过程中提 出了垂直谐振腔增强型和波导型结构的光电探测器，前者利用谐振腔的增强作用 成功地实现了量子效率和响应速度的解耦，但其光谱响应线宽和量子效率之间仍 然存在折衷关系，且吸收区的厚度受到s i g e 临界厚度的限制；后者入射光传播方 向和电流方向相互垂直，解除了响应速度和内量子效率的制约关系，并且能够方 便地进行光电集成。 我们提出了种新型高量子效率的s i g e s i 多量阱波导共振腔增强型光电探 测器，工作波长从可见到近红处波段。新型探测器结合了波导探测器与共振腔增 强型探测器的优点，与传统波导探测器相比，器件尺寸大为减小，在相同的量子 效率下可以得到更高的响应速度。与垂直共振腔结构探测器相比，吸收区的长度 不受s i g e t 每界厚度的限制，可以灵活设计，从而达到优化器件的目的。本论文主 要开展了以下几个方面的工作： ( 1 ) 以共振腔增强型( r c e ) 探测器的理论为基础，详细分析了制约r c e 探测 器量子效率、波长选择性、响应速度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 i g e s i 多量子阱波导共振腔增强型探测器 的性能，优化了器件结构的各个参数，设计出内量子效率大约为8 2 ，响应谱 的半高宽大约为l n m 的器件。 ( 2 ) 以介质波导的电磁波理论为基础，利用光束传播方法( b p m ) 模拟了s i g e s i 多量子阱脊形波导的三维光场分布，分析了光纤和波导直接对准的耦合效率。 ( 3 ) 详细研究了s i 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条件，以及i c p 干法刻蚀各种参数对器件线条、侧壁粗糙 度的影响，成功制备出波导共振增强型探测器和波导探测器。 ( 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。在一定范围内，对于不同吸收长度的波导探测器，光电 流强度随着吸收长度增加而增大，峰值响应波长为1 0 0 8n m 。分析了波导共振增 强型探测器未得到共振效应的原因，为进行下一步工作打下基础。 关键词tr c e ，s i g e s i 多量子阱材料，波导探测器。 a b s t r a c t 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 ) p h o t o d e t e c t o r sa n dw a v e g u i d ep h o t o d e t e c t o r s h a v eb e e np r o p o s e df o ra c h i e v i n gh i 曲s p e e da n dq u a n t u me f f i c i e n c y t h ef o r m e r l e a d st ot h ed e c o u p l i n go fq u a n t u me f f i c i e n c ya n ds p e e ds u c c e s s f u l l y , b u tt h e r ei s t r a d e - o f fb e t w e e nt h er e s p o n s i v i t ya n dt h el i n ew i d t ho fs p e c t r a ，a n dt h ea b s o r p t i o n l e n g t hi s l i m i t e db yt h ec r i t i c a lt h i c k n e s so fs i g e t h el a t t e rr e s o l v e st h e i n t e r d e p e n d e n c eb e t w e e nr e s p o n s es p e e da n dq u a n t u me f f i c i e n c ya st h ed i r e c t i o n so f i n c i d e n t l i g h ta n dc u r r e n t a r eo r t h o g o n a la n da l s oc a nb e e a s i l ya p p l i e dt o o p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a t i o n w ep r o p o s ean o v e ls i g ew a v e g u i d e r c ep h o t o d e t e c t o rf o rv i s i b l et on e a r i n f r a r e d o p e r a t i o n t h e n o v e ld e v i c eo w n st h em e r i t so f w a v e g u i d ea n d w a v e g u i d e r c ep h o t o d e t e c t o r c o n t r a s t i n g t ot h ec o n v e n t i o n a l w a v e g u i d e p h o t o d e t e t o r s ，t h ed e v i c ea r e ac a nb ed e s i g n e ds m a l le n o u g ht os a t i s f yh i 曲一s p e e d o p e r a t i o n c o n t r a s t i n gt ot h er c ep h o t o d e t e c t o r s ，t h el i m i t a t i o no fs i g ec r i t i c a l t h i c k n e s si sc i r c u m v e n t e da n dc l e v e rd e s i g nc a nb ee x p e c t e d t h ef o l l o w i n gs t u d i e s w e r ec a r r i e do u ti nt h ep r e s e n tt h e s i s ： ( 1 ) t h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e r so nt h ep e r f o r m a n c ei 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 ya n dr e s p o n s es p e e do fw a v e g u i d e r c ep h o t o d e t e c t o r s i s s t u d i e di nd e t a i l s t h ep 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 eo p t i m i z e dt oo b t a i nh i 曲q u a n t u me f f i c i e n c y t h es i m u l a t i o nb y t h em e t h o do ft r a n s m i s s i o nm a t r i xp r e d i c t st h a th i 曲q u a n t u me f f i c i e n c yu pt o8 2 c a nb eo b t a i n e df o rt h e p h o t o d e t e c t o r sw i t h ln ml i n ew i d t h a no p t i m i z a t i o n p r o c e d u r ef o rd e s i g n i n gr c ep h o t o d e t e c t o r si sp r o p o s e d s i m u l t a n e o u s l y , t h em a i n f a c t o r sf o rd e t e r m i n i n gt h er e s p o n s es p e e da r ea n a l y z e d ( 2 ) b a s e do ne l e c t r o m a g n e t i ct h e o r yo fd i e l e c t r i cw a v e g u i d e ，3dd i s t r i b u t i o no f t h ef i e l di ss i m u l a t e db yb p mo fs i g e s im q ww a v e g u i d e t h ec o u p l i n ge f f i c i e n c y b e t w e e nf i b e ra n dw a v e g u i d ei sa n a l y z e d ( 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 gs i g ep h o t o d e t e c t o r s w e r es t u d i e d t h ec o n d i t i o nr 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 eg r o p e dt of o r ms m a l lw a v e g u i d ea n dl a t e r a lr e f l e c t o r sw i t hs m o o t hs i d e w a l l w a v e g u i d ep h o t o d e t e c t o ra n dw a v e g u i d e - r c ep h o t o d e t e c t o rh a v eb e e ns u c c e s s f u l l y f 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 ea 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 w i t h i nac e r t a i nr a n g e ，t h ei n t e n s i t yo fp h o t o c u r r e n ti n c r e a s e sw i t h i n c r e a s i n g a b s o r p t i o nl e n g t ho fw a v e g u i d ep h o t o d e t e c t o r s ，a n dt h es p e c t r a lr e s p o n s ep e a k w a v e l e n g t hi sa b o u t10 0 8 n n l k e y w o r d s ：r c e ，s i g e s im q w , w a v e g u i d ep h o t o d e t e c t o r 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。 一徽) 0 堂节矿日 加髓焦 日y 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 l 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 ， 2 、不保密( ( 请在以上相应括号内打“ ) 储虢弘旃砰 导师签名籼j 1o 人 吼岬年钿踟 日期：砌产月驴日 第一章绪论 第一章绪论 随着光通信的不断发展，对1 3 1 5 51 t m 通信窗口的红外探测器提出了越来 越高的要求，制作高速率、高响应度和低漏电流，响应波长在1 3 - - 1 5 5l , t m 的近 红外探测器，并实现光电集成接收机芯片一直是人们所追求的目标。s i 是信息领 域里最重要的半导体材料之一，是微电子电路的基石，其在微电子领域已获得了 巨大的发展，其d ? s i g e 材料和现有成熟的s i i 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，引起人们极大兴趣。特别是硅基光波导器件 【1 。2 1 ，s i g eh b t 3 4 1 的性能已经得到很大提高，而在硅基有源光电子器件方面，长 波长光电探测器的研究也得到了相当的重视，性能也在不断地提高。 下面我们主要从吸收区材料、器件结构、并分析了s i g e s i 多量子阱材料的 基本性质方面深入探索了提高硅基光电探测器性能的可能途径，以制备出适合通 信用的工作于1 3 1 5 5p m 波段的硅基光电探测器。 1 1s i g e 材料的研究进展 虽然以硅材料为基础制作的p i n 、m s m 光电探测器，以其较高的性价比得到 广泛的应用，但是由于s i 和g e 及其合金都是间接带隙材料，在近红外波段，吸收 系数较直接带隙材料的要小( 小于l 1 0 2c n l _ ) ，制作成的探测器的响应速率和量子 效率都非常低，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 g e s i 多量子阱材料 由于s i 和g e 的品格常数不匹配，失配度达4 2 ，难以实现异质的匹配生 长。利用m b e 、m o c v d 、u h v - c v d 超薄外延技术生长的s i g e s i 多量子阱材 料，只要厚度小于临界厚度，就可以实现没有失配位错的应变量子阱材料。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 s i g e 波导共振腔增强型光电探测器 的禁带宽度甚至比g e 的禁带宽度还要小【5 】，这就为s i g e 应变材料对石英光纤窗 口波长1 3 1 5 5g m 的光吸收提供了可能。但事实上，由于s i g e 材料为间接带 隙材料，对光的吸收系数比i i i v 族材料低3 5 个量级，为了增加探测器的量子 效率，最初制作的s i g e s i 多量子阱探测器均为波导型结构。1 9 8 6 年a t & tb e l l 实验室首先提出了s i g e s i 多量子阱波导型p i n 光电探测器的结构【6 】，他们首次 研制出工作在1 3 x m 的s i g e s i 多量子阱探测器，量子效率达到1 0 ，漏电流为 0 4l x a 。 国内比较有代表性的就是中科院半导体所研究小组【_ 7 】采用r c e 结构，研制 出1 3p m 的s i g e s i 多量子阱光电探测器，如图1 1 所示，实验中是以用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，利用s o i 和最上层淀积s i 0 2 s i 为上下反射镜所构成的谐振腔，利用共振增强效应，使得器件在1 3i x m 处量子 效率达到3 5 ，比当时国际上报道的g e 组分为0 5 的j 下入射p i n 探测器的效率 提高了3 4 倍，而暗电流减小了一个量级，这一成果被l a s e rf o c u sw o r l d 收录并 做新闻报道。在此基础上，又采用了背入射结构解决了正入射中下反射镜的放射 率难于提高的难题，取得很好的成果。 i lk 图1 1s i g e s i 多量子阱材料的r c e p i n 探测器的器件结构 然而，应变s i g e 是间接带隙材料，吸收系数不大，要实现对1 3g m 以上波 长的光有效吸收，g e 组分应在0 5 以上，此时临界厚度将成为限制量子效率的 主要因素。 2 第一章绪论 1 1 2g e 纳米岛材料和高组分表面起伏的多量子阱 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 3l , t m 波长有明显 的响应【蚋】。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 合金或g e ，一种方 法：生长高组分的s i l 。g e x 遵循典型的s k 模式：超过临界厚度后，将发生三维 生长，出现g e 纳米岛以释放应力，中科院半导体所李传波等小组【lo 】利用g e 纳 米岛制作成的垂直腔r c e 探测器，吸收区为1 0 层8 m l - g e 3 3 n m s i ，器件在1 5 4 岬处，响应度为0 0 2 8m a w 。另一种方法：对于生长高组分的s i g e 层，厚度 超过临界厚度时，应力以表面起伏形式释放，图1 2 给出了s i o 5 g e o 5 合金多量子 阱，周期为1 0 的t e m 图象，从中可以看出量子阱材料发生了明显的起伏，没有 位错产生，用低温p l 谱表征，如图1 3 ，表面起伏的s i g e s i 多量子阱材料响应 波长可以延伸到1 6l , t m ，可以实现1 5 5 岬的光响应【i ，d a n x i ax u 小组利用 u h v - c v d 方法在5 2 5 生长了表面起伏的s i o 5 g e o 5 多量子阱材料，做成m s m 结构的光电探测器，器件在1 5 2l , t m 的光响应度为0 1 2a w 【1 2 1 。 黼，酾鳓鳓鳓缫鳓鳓鳓嗍燃嬲鳓蛹睁缈 酱翼盗盗国幽鳓蕊鲡缓鳓鳓鳓鳓缓豳鞠囊赫酾 雅懒岬 图1 2 表面起伏的s 址q 蚰多量子阱t e m 照图1 3s 如g e o s 多量子阱低温p l 谱 s i g e 波导共振腔增强型光电探测器 1 1 3 外延g e 材料 与s i 同为四族材料的g e 对近红外光有较大的吸收，然而s i 和g e 材料之间存在 4 2 的晶格失配，直接在s i 材料上外延厚层g e 单晶格将由于失配应力的作用而 引入高的位错密度，较早的研究主要集中的生长g e 之前生长g e s i s i 超晶格缓冲 层，然而这种方法消耗较大的资源，价格比较昂贵。 意大n d , 组c o l a c e 小纠1 3 1 报道的外延体g e 材料的方法相对简单，其外延是 在热壁超高真空c v d 系统中完成，可通过低温( 3 3 0 ) 生长一层完全驰豫g e 薄 层( 5 0n m ) 来释放位错，然后再升温( 6 0 0 。c ) ，以较快的速度生长体g e ，得到高质 量的材料。用此材料做的p i n 探测器，在6 0 0 退火5m i n 形成的g e 探测器， 器件在1 3l x m 和1 5 5l a m 处响应度分别为o 8 9a w 和o 7 5a w ，在1v 的偏压 下，暗电流为1 2 a ，该器件已经能够应用与2 5 g b s 的集成光接受机芯片。另 外gl u o 等【1 4 峙艮道了一种采用薄层外延层来释放应力，具体是用两种不同组分 的薄s i g e 层做为缓冲层，通过调整g e 组分和s i g e 层的厚度将位错俘获在介质 界面处，大大减少了g e 层的位错密度。zh u a n g 等人【1 5 】利用此方法在冷壁的 u h v c v d 系统中，先生长0 4 岬s i o 4 5 g e o 5 5 后长o 6g ms i o 3 s g e o 6 5 ，接着在7 5 0 退火1 5m i n ，后在4 0 0 。c 生长2 5p mg e 层，此器件在1 0v 偏压下的暗电流为 1 0 7 衅，在1 3g m 处0 v 偏压和2v 负偏压下响应度分别为0 3 7a w ，0 5 7a w ， 3d b 带宽达到8 1g h z 。 虽然g e 材料在近红外的吸收远大于s i g e 材料，禁带宽度可达到o 6 6e v ， 响应波长可以延伸到1 6 岬，而且g e 比s i 的迁移率大，相应器件的响应速度大。 但是由于s i 和g e 之间存在着严重的晶格失配，在生长g e 的过程中容易引入较 高的位错密度，且g e 探测器没有好的氧化保护层，器件的漏电流较大，影响制 备高性能探测器的要求。 1 2s i g e s i 多量子阱材料的性质 对于s i 基s i g e 光电探测器，选择不同的g e 组分可以使探测器工作在三个 主要的应用波段五= o 8p m 、1 3h m 和1 5 5g m 附近。o 8 岬波段可以用在芯片 中的光互联，一方面可以利用低价的g a a s 激光器做光源，另一方面可以直接用 4 第一章绪论 s i 作探测器。用于短距离城域网光纤通信1 3i x m 波段的光电探测器可以通过应 变s i g e 量子阱来实现。1 5 5 “m 光探测器可以用在长距离光纤通信中，通常要生 长高g e 组分的g e 纳米岛或体g e 材料来实现。 本论文主要研究1 3 岬波段的光电探测器，通过生长应变s i g e s i 多量子阱 来实现，本节将介绍s i g e 应变层和s i g e s i 多量子阱的临界厚度和能带结构。 由于s i 和g e 材料的晶格常数分别为0 5 4 3 1n l n 和0 5 6 5 8n l t i ，晶格失配率 高达4 2 ，属于大失配体系。在s i 衬底上外延生长s i l 。g e x 合金应变层必然要 遵循一定的原则：在s i 衬底上共度生长的应变s i i 。g e x 合金层是不稳定的，应变 能会随着层厚增加而线性增加，当层厚超过某一临界厚度髓时，积聚的能量就以 失配位错的形式释放出来，界面两侧的两种异质原子的排列就会重新错开，从而 使应变减小，这种现象称为应变驰豫，所以单个应变层的共度生长有一个临界厚 度值见，它满足以下超越方程【1 6 】： h c ：! 塑黧l n ( 丝) ( 1 1 ) s8 n - ( 1 + 1 ，1 c o s 名、b 、 对于s i g e 应变层，参数v = 0 2 8 ( 为泊松比) ，c o s 2 = c o s o = 0 5 ，b 为b u r g e r s 矢量，约为o 4n l i l ，1 1 式可以简化为： 忽：0 0 2 31 n ( 翁 ( 1 2 ) 研究表明，共度生长在s i ( 1 0 0 ) 衬底上的包含n 个周期的s i g e s i 多层应变 层结构，设s i g e 层的厚度为h ，s i 层厚度为h ，则总的厚的t = n ( h + h ) ，在每层 s i g e 厚度小于单层临界厚度的前提下，对应于n 个周期的s i g e 层的总临界厚度 满足： n h ：一0 0 2 3l n 、4 n ( h + 旦) ：竖l n l o n ( h + h ) ( 1 3 ) 所以在生长材料的过程中，应尽量增加有源层的厚度，以增加吸收系数。以 上式子即m a t t h e w s b l a k e s l e e 模型，它反映了位错驰豫的热平衡过程。 同时，应力的存在也使得s i g e 应变层的能带结构发生了变化，我们知道在 s i 衬底上生长s i l 。g e x 应变层在水平方向受到压应变，垂直方向受到张应变，从 而使s i g e 应变合金层的带隙要比体材料的小的多，如图1 4 所示，虚线表示了 应变的s i g e 材料的禁带宽度，在g e 组分达到0 6 以上时，s i g e 的禁带宽度比 s i g e 波导共振腔增强型光电探测器 g e 的禁带宽度还要小。在应变s i g e s i 量子阱中，应变s i l x g e x 层禁带宽度一方 面受到g e 组分的限制，g e 组分越大，禁带宽度越小；另一方面，大的g e 组分 下临界厚度越小，量子尺寸限制效应越强，导致了能级分裂，基态向上移动，此 时量子效应引起的能级上移比g e 增加引起的能级下移要大，因此禁带宽度反而 有变大的趋势。图中点线为不同g e 组分下，s i g e s i 量子阱中s i g e 层厚度为临 界厚度时的禁带宽度，考虑了s i g e s i 量子阱平衡态和亚稳态的情况和量子限制 效应引起的禁带宽化，从图中可以看出，s i g e s i 量子阱材料的禁带宽度已减小 到0 9 5 e v 以下，响应波长可以宽展到1 3 岬以上，对应于1 3 岬的禁带宽度要 求g e 组分要在0 3 以上，s i g e 应变层为压稳态应变层，由此可见有效的控制 g e 组分，s i g e s i 量子阱结构可以制作成1 3 1 5 5l a m 波长光响应的探测器，适 用于光通信。 但是，s i g e 合金具有间接带隙材料的性质，在1 3 1 5 51 t m 波段吸收系数 非常小，因此在制作探测器过程中，一方面要加大g e 组分以增加吸收系数，另 一方面也要选择适当的器件结构以增加探测器效率的目的。 锚 蠢| c o h e r e n s l l a i q e d 弋蛳， v 鲁 4 、 呈： 盛& l l稚袭l” g ef r a c t i o nx 图1 4s i g e s i 量子阱的禁带宽度和g e 组分的关系 6 u三lil6=ma曙 谯 馕 怯 旗 惦惦博 镪 锚 ” 萝由一h勃i=盘懵劢=霄 第一章绪论 1 3 器件结构的选择 随着光通讯事业的不断发展和半导体新材料的不断开拓，对光电接收器的关 键部件一光电探测器的要求也越来越高，不同种类的光电探测器不断涌现。从光 的入射角度来分析，探测器可分为垂直入射和边入射( 即波导型探测器) 两种类 型。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( h p t ) 。 1 3 1p i n 光电二极管 图1 5 为传统面入射光电探测器的结构示意图和能带图。光从正面或者背面 入射到吸收层，激发价带电子跃迁到导带，产生电子空穴对在电场的作用下，分 别到达n 型区和p 型区，形成光生电流。此种结构的光电探测器的特点是材料简 单，耦合效率高。j u t z i 等人【l7 】报道了垂直入射g e 光电探测器，用m b e 技术在s i 衬底应变驰豫层上外延生长g e 有源层，厚度为3 0a m ，器件在1 2 9 8n m 和1 5 5 2n n l 处的外量子效率分别为1 6 、2 8 ，在负偏压2v 下，带宽为3 8 9g h z 。 h v a ：正面入射 h v j f z 电子 a 卜l 、 t 卜 1 慕- 1 。_ _ _ 一 b ：背面入射c ：能带图 图1 5 面入射探测器的工作原理 e 警 但是对吸收系数较小的材料制作的探测器，其响应速度和量子效率之间 相互制约，难以得到同时提高。一方面，要提高器件的响应速度，可以减小其结 面积，但是这会降低器件的耦合效率，也不利于大信号的探测；另一方面，可以 通过减小本征层的厚度来提高器件的速度，但这会减小光吸收长度，降低内量子 效率。为了解决这个矛盾，发展了波导型光电探测器和谐振腔增强型光电探测器。 7 s i g e 波导共振腔增强型光电探测器 1 3 2 波导探测器 对于波导型结构的光电探测器早在7 0 年代就有大量的研究【体j9 1 ，其主要原 理是光垂直于电流方向入射到光电探测器的光波导中，然后在光波导中传播，并 不断被吸收，光强逐渐减弱，同时激发价带电子跃迁到导带，产生光生电子空穴 对，实现了对光信号的探测。和传统型的p i n 探测器相比，有很多优越性。一方 面，光在波导中的传播方向与载流子的运输方向分离，解决了响应速度和内量子 效率之间的制约关系；另一方面，其光的吸收长度远大于传统型光电探测器的， 一般可大于1 0 m ，而传统型探测器的吸收长度是材料本征层的厚度。对于高速 的光电探测器，它的本征层厚度要求小于1p m 2 0 ，所以波导探测器的内量子效 率高于传统结构的光电探测器的同时，能够获得高的响应速度。其中有很多学者 对此展开了研究：b j a l a l i 等人【2 l 】利用标准s i 工艺研制了s i g ep i n 光电探测器阵 列，其特点是在s i g e s i 量子阱两边各生长l 岬s i 间隔层，将光场均匀限制在 吸收区，在波长为1 3i t m 处，反向偏压1 4v 时，最大量子效率为7 ，利用这 一个阵列成功研制成功1 3g m 光接收机。 继研制出波导型探测器后，为了解决探测器进光面积小，与光纤的面积相差 较大而引起的偶合效率低这一问题，提出了波导和探测器相集成的方法，提高探 测器的量子效率。如国内西安交通大学的李宝军博士【2 2 】研制出利用s i g e 与s i 的折射率差形成波导的方法，也制作出波导与探测器的集成。主要是在s i 衬底 上生长低组分的s i g e 层做波导的芯层，然后再生长s i g e s i 多量子阱结构，以达 到提高耦合效率的目的，最高量子效率可到达8 。另外，k k a t o 等人在1 9 9 2 年提出的多模光波导结构，即在有源层和覆盖层之间加入波导限制层，使光纤出 射光在探测器的波导中耦合成多种传播模式传播，从而提高总的量子效率，他们 曾报道过外量子效率达到6 8 ，带宽高达5 0g h z 的多模光电探测器【2 引。 第一章绪论 合端 图1 6 环形波导探测器结构示意图 虽然波导探测器在长波长波段取得一定的进展，但是由于s i g e 是间接带隙 材料，吸收系数小，传统波导长度要设计为毫米量级以达到增加探测器的量子效 率，这使得探测器的面积增加，必然导致了器件的响应速度下降，未能从根本上 解决速度与效率的矛盾。为了改善其性能，可采用环形波导探测器，结构如图 1 6 【2 4 。2 5 1 。其基本原理是：光从直波导端口耦合进入环形波导后，理想情况下， 全反射在圆坏内连续进行，直到全部吸收完。制作环形波导探测器工艺难度较大， 用做全反射的波导界面难以做的光滑，导致光散射损耗。中科院半导体所研究小 组【2 5 】利用这种结构制成的环形g e 。s i l 嘱s i 光电探测器其外量子效率可达到2 8 ， 比在之前报道的直波导探测器的外量子效率提高2 3 倍，而上升下降时间仍然保 持在1 1 0p s 左右。 1 3 3r c e 探测器 近年来发展另一种有效的器件是共振腔增强型探测器。应变s i g e 量子阱材 料对1 3 岬波段吸收系数很小，如传统的p i n 探测器只能在量子效率和响应速 度之问折中，最终会限制硅基探测器性能的提高。为了解决这一矛盾，采用了将 有源区位于上下反射镜构成的微腔中，入射光经腔面的多次反射并产生谐振，满 足谐振条件的入射光经微腔的多次反射，使有源层的有效吸收长度增加，及探测 器的光响应度提高。r c e 理论最早是由c h i n 和c h a n g 提出【2 6 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，该结构即可以提高探测器的量子效率带宽积，又具有波 长选择性。在理论上，共振腔结构特别适合于吸收系数小的材料制作的探测器。 之后，共振腔光电探测器得到不断的研究和发展，成为一类具有使用价值的新型、 高性能光电探测器。 9 s i g e 波导共振腔增强型光电探测器 国际上，具有代表性的研究小组有t e x a s 大学以j c c a m p b e l l 为首的主要 发展i i i v 族以及s i 基短波长应用的r c e 探测器【2 8 】，该小组利用在i i l p 衬底上 生长i n a l g a a s ，工作波长为1 5 5l x m 的r c e 探测器，量子效率达到7 0 ，单位 增益带宽为2 5g h z 2 。7 1 。另外还有b o s t o n 大学以m s e l i mu n l u 为首的研究小组， 他们主要贡献是发展了r c e 探测器理论【2 9 1 ，提出了r c e 探测器的解析模型，并 系统分析了r c e 探测器的特性以及各种参数的相互关系。在实验方面主要以 i i i v 族材料为主，以及在s o i 、d s o i 反射衬底上制作r c e 的s i 、g e 探测器。 在国内研究r c e 探测器的小组主要是半导体研究所和北京邮电大学，前者 主要研制s i g e s im q w 7 1 ，g ei s l a n d sp i nr c e 1 0 】，以及在s i 上键合i i i v 材料 等光通信用的长波长( 1 3 1 5 5 岬) 的r c e 探测器，后者主要以i i i v 族材料 为主，研制短波长的r c e 结构探测器。 但是受临界厚度的限制，吸收区材料不能长的太厚，只有几百n n l 左右，所 以采用共振腔增强型p i n 结构还不是最理想的选择。 1 3 4i t p t 探测器 具有内部增益的异质结光敏晶体管( h p t ) 【3 1 - 3 2 1 也是一种新型的光电探测器， 它是一种p i n 探测器和异质结双极晶体管( h b t ) 相结合的器件。其结构的主要特 点就是具有内部增益，使得光电流放大，与p i n 或a p d 相比更适用于高灵敏度光 接收机。h p t 采用窄带隙基区和宽带隙发射区，提高了器件发射极的注入效率。 另外，硅基h p t 并i h b t 结构相似，易于将探测器与微电子电路集成在同一基片上， 以缩小整机体积，提高其可靠性。 1 4 本论文的创新点和主要工作 本论文提出了一种新型的s i g e s i 多量子阱波导共振增强型光电探测器，该 结构借助波导探测器和r c e 探测器的优点，以s i g e s i 多量子阱材料为有源区实 现1 3t x m 的光电探测器，从原理上解决了普通s i g e 探测器量子效率和响应速度 相互制约的矛盾。 由于在s i 衬底上生长的s i g e 材料仍属于间接带隙材料，吸收系数小。通过 生长高质量多周期的s i g e s i 多量子阱材料，以增强对近红外波段的光吸收。波 1 0 第一章绪论 导共振腔增强型探测器利用入射光沿波导横向传播，载流子垂直输运，从而绕过 s i g e 临界厚度的限制，通过增加波导的长度提高了对光的吸收，而保持低的载 流子渡越时间。同时结合共振腔增强的原理，在波导两侧制作反射镜，构成共振 腔，通过对吸收区长度、反射镜反射率的优化设计，同时提高探测器的响应速度 和量子效率。 本论文以制备s i g e s im q w 波导共振腔增强型探测器和普通波导探测器为 最终研究目标展开的。主要工作是以新型波导共振腔增强型探测器的理论模拟设 计，优化前后反射率以及吸收区长度，分析以s i g e s i 量子阱为波导芯层的波导 结构的二维光场分布以及光纤和波导直接对准的耦合效率作为研究重点。并根据 所设计的s i g e 探测器的性能要求设计出掩膜版图，详细研究了s i g e 探测器器件 的制作工艺流程，在现有的条件下，摸索出小尺寸线条的光刻工艺条件和i c p 干法刻蚀的各个参数，包括气体源、气体流量、等离子源功率等，对器件小线条 侧壁的影响，最后成功制作出波导探测器和波导共振强增强型探测器，并对制作 完的器件进行了电学特性和光学特性的测试。 本论文工作得到了福建省青年科技人才创新项目：2 0 0 4 j 0 2 1 、回国留学人员 基金、以及集成光电子学国家重点实验室半导体所开放课题和国家自然科学基 金：6 0 3 3 6 0 1 0 的资助。 参考文献 【1 】 s m c s u t a k ， s d a k s h i n a m u a h y ，j c c a m p b e l l c m o s c o m p a t i b l ep l a n a r s i l i c o n w a v e g u i d e - g r a t i n g c o u p l e rp h o t o d e t e c t o r sf a b r i c a t e do ns i l i c o n - o n i n s u l a t o r ( s 0 1 ) s u b s t r a t e s j i e e ej q u a n t u me l e c t r o n ，2 0 0 2 ，3 8 ( 5 ) ：4 7 7 - 4 8 0 【2 】2m e l k u r d i ，e b o u c a u d ，s s a u v a g e ，e ta 1 n e a r - i n f r a r e dw a v e g u i d ep h o t o d e t e c t o rw i t hg e s i s e l f - a s s e m b l e dq u a n t u md o t s j 】- a p p l p h y s l e t t 2 0 0 2 ，8 0 ( 3 ) ：5 0 9 - 511 【3 】h y c h e n ，k m c h e n ，g w h u a n g ，e ta 1 s m a l l - s i g n a lm o d e l i n go fs i g eh b t su s i n gd i r e c t p a r a m e t e r - e x t r a c t i o nm e t h o d i e e et r a n s e l e c t r o nd e v i c e s ，2 0 0 5 ，5 2 ( 3 ) ：3 7 5 - 3 8 4 4 a s c h u p p e n ，s g e r l a c h ，h d i e t r i c h ，e ta 1 1 一ws i g ep o w e rh b t sf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s i g e 波导共振腔增强型光电探测器 【j 】i e e em i c r o w a v eg u i d e dw a v el e t t e r , 1 9 9 6 ，6 ：3 4 1 3 4 3 【5 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 ys 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 ns 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 【6 】h t e m k i n ，t p p e a r s a l l ，j c b e a n ，e t a 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 gd e a l 1 3 i _ u n j 】a p p l p h y s l e t t ，19 8 6 ，4 8 ( 15 ) ：9 6 3 9 6 5 【7 】7c l i ，q q y a n g ，h j w a n g ，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 ha s i l i c o n - o n o x i d er e f l e c t o ro p e r a t i o nn e a r1 3 岬 j 】a p p l p h y s l e t t ，2 0 0 0