InGaAs材料MSM-PDs：探究其特性和应用

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：表5-30 国外无烟煤干燥无灰基挥发分的理论绝热燃烧温度计算结果 ℃图6.4背照射式InGaAsMSM－PD的结构示意图；光响应和暗电流曲线［239］；具有透明肖特基接触的InGaAsMSM－PD结构示意图；不同金电极厚度下器件响应率随入射光功率变化的关系曲线图［240］；BCB侧壁钝化InGaAsMSM－PD的结构示意图；钝化前后器件的亮暗电流电压曲线［241］。为了得到较快的响应速度，一般都将MSM-PDs的感光区域做到μm尺度。

随着光纤通信向长波长方向发展，人们自20世纪80年代后期开始开展In-GaAs材料MSM-PD的相关研究［182］。InGaAs通过调节其各组分的含量，其有效工作波长范围可覆盖0.8～3.5μm［235，236］。1987年，IBM公司的McIntuff等人报道了第一个InGaAsMSM-PD，该器件生长在GaAs衬底上，在1.3μm波长光照下的响应速度为48ps［182］。随后，基于InP衬底的InGaAsMSM-PD也被相继报道，与GaAs衬底上生长的样品相比，减小了薄膜应力，降低了工艺难度。1996年，Böttcher等人报道了基于亚μm的InGaAsMSM-PD，响应带宽达到40GHz以上［237］。1997年，Hurrn等人成功实现了InGaAsMSM-PD的单片集成光电接收放大器，其响应率为0.32A／W，10V时的暗电流为10-7A量级［238］。

但InGaAs材料与金属接触势垒高度较低，低的势垒高度会导致较大的暗电流［181］。因此，通常在InGaAs材料与金属中间增加一层带隙超过InGaAs的外延层作为势垒增强层，如非掺杂InP层［242，243］、Fe掺杂InP层［244，245］、InAlAs层［239］、AlGaAs层、InGaP层［240］、介质层［246］、其他金属膜［247］等。例如，1991年，史常忻等人利用低温MOVPE技术，成功研制出具有非掺杂InP肖特基势垒增强层的InGaAsMSM-PD［243］，在1.5V下其暗电流小于60nA（光敏面积100×100μm2），在6V下上升响应时间小于30ps，其响应率为0.42A／W。1992年，Kim等人对比研究了以InAlAs为势垒增强层的InGaAsMSM-PD器件在前照式和背照式下的性能差异［239］，他们发现使用如图6.4（a）所示的背照模式，虽然降低了响应速度，但却实现了响应率的大幅度提高，该器件在波长1.3μm、5V偏压下响应率达到0.96A／W，由于势垒增强层的引入该器件展现出较低的暗电流5.6×10-5A／cm2，具体性能见图6.4（b）所示。1995年，Yuang等人制备了含InGaP／InP双势垒增强层的InGaAsMSM-PD器件［248］，使得暗电流较单势垒增强层器件［242，245］进一步降低。随后他们在此器件的基础上，进一步对比研究了金属电极的厚度变化对器件性能的影响［240］，结构如图6.4（c）所示。他们发现金电极厚度从100nm降低为10nm时，即电极从不透明变为半透明时，并不会改变器件的暗电流及时间响应特性，却可以将波长1.55μm下的响应率从0.4A／W提高到0.7A／W，提高了75%，具体性能如图6.4（d）所示。1994年，Klockenbrink等人发现在InGaAs材料与金属电极间引入薄Al2O3介质层后器件的热稳定性会变好［246］。他们的工作表明虽然在室温条件下两种器件的暗电流相当，均为10-9A数量级，但是当退火温度从250℃上升到350℃时，具有薄Al2O3介质层器件的暗电流只上升了4倍，而没有Al2O3介质层器件的暗电流增加了将近100倍。

需要指出的是，所引入势垒增强层的表面态有时会造成不同器件性能迥异，因此研究者们提出对势垒增强层的表面进行钝化以提高器件性能的可重复性。1999年，Pang等人介绍了一种硫钝化InP势垒增强层表面的高性能InGaAsMSM-PD［249］，实现了器件性能的稳定且可重复，该器件有一个极低的电容值200fF，暗电流在10V偏压下约200nA，其击穿电压约为20V，响应率最大为0.75A／W，截止频率为20GHz。2005年，Chiu等人利用苯并环丁烯（BCB）侧壁钝化的方法改善了InGaAsMSM-PD器件的性能［241］，相应的器件结构如图6.4（e）所示。他们利用BCB钝化过程在不影响光电流的前提下，使暗电流密度从11nA／μm2降低到5.7pA／μm2，如图6.4（f）所示。

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图6.4　（a）背照射式InGaAsMSM－PD的　结构示意图；（b）光响应和暗电流曲线［239］；（c）具有透明肖特基接触的InGaAsMSM－PD结构示意图；（d）不同金电极厚度下器件响应率随入射光功率变化的关系曲线图［240］；（e）BCB侧壁钝化InGaAsMSM－PD的结构示意图；（f）钝化前后器件的亮暗电流电压曲线［241］。

为了得到较快的响应速度，一般都将MSM-PDs的感光区域做到μm尺度。另一方面，具有大感光区域的光电探测器在空间光通信中有广泛的需求。2004年，Kim等人制备了1×1mm2的大面积InGaAsMSM-PDs［250］，当金属叉指电极宽度为2μm、间距为15μm时得到器件的响应率为1.02A／W，带宽为210MHz，并且该器件中利用InP／InGaAsP传输层代替InGaAs与InAlAs之间的InGaAlAs缓变层，在10V偏压下得到了较低的暗电流45nA，相应地暗电流密度低至45fA／μm2。

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