论文摘要
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。
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摘要Abstract第一章 绪论1.1 Si基SiGe光电探测器的研究进展1.1.1 SiGe/Si多量子阱材料探测器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1.2 Si基纯Ge材料外延及其光电探测器发展1.2.1 组份渐变SiGe弛豫衬底上生长Ge层1-xGex缓冲层再外延Ge层'>1.2.2 组份跳变Si1-xGex缓冲层再外延Ge层1.2.3 低温生长的柔性衬底上再外延比较厚的Ge层1.2.4 热应力增强Ge吸收1.3 器件结构的选择1.4 本论文的主要工作和创新点参考文献第二章 金属-半导体-金属共振腔增强型探测器的基本理论2.1 MSM探测器的基本理论2.1.1 MSM探测器的工作原理2.1.2 MSM探测器的电流-电压特性2.1.3 MSM探测器的电容-电压特性2.1.4 MSM探测器的几个主要性能参数2.1.4.1 响应度和量子效率2.1.4.2 响应时间τD'>2.1.4.3 暗电流ID2.2 RCE探测器理论2.2.1 RCE探测器自恰解析理论2.2.2 RCE探测器传输矩阵模拟2.2.3 影响RCE探测器量子效率的因素2.2.4 RCE探测器的波长选择特性2.2.5 RCE探测器的驻波效应2.3 本章小结参考文献第三章 Si基外延纯Ge材料的生长及表征3.1 生长及表征设备介绍3.1.1 本实验室材料生长设备介绍3.1.2 材料表征设备3.1.2.1 双晶X射线衍射测试技术（DCXRD）3.1.2.2 原子力显微镜（AFM）3.2 Si基外延Ge薄膜生长及表征3.2.1 Si基外延Ge薄膜的生长及表征3.2.2 SOI基外延Ge薄膜的生长及表征3.3 总结与讨论参考文献第四章 Si基Ge探测器的制作与性能测试4.1 Si基外延纯Ge MSM光电探测器4.1.1 MSM光电探测器的设计4.1.2 Si基外延纯Ge MSM光电探测器的制作工艺4.1.3 Si基外延纯Ge光电探测器的性能测试和结果讨论4.1.3.1 器件的Ⅰ-Ⅴ特性4.1.3.2 光响应谱特性4.1.3.3 响应度的测试4.2 SOI基纯Ge探测器4.2.1 SOI基纯Ge RCE探测器的结构设计和模拟4.2.1.1 器件结构设计4.2.1.2 布拉格反射镜的设计和综合优化4.2.2 SOI基纯Ge探测器的制备和测试4.2.2.1 SOI基纯Ge RCE-MSM探测器的制备4.2.2.2 SOI基Ge探测器的性能测试和结果讨论4.2.2.2.1 器件的Ⅰ-Ⅴ特性4.2.2.2.2 光响应谱特性4.2.2.2.3 响应度的测试4.3 本章小结参考文献第五章 结语硕士期间发表的论文致谢
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