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探究Si/Ge材料的MSM-PDs件

【摘要】:关于SiMSM-PDs最早的报道见于1991年[183]。1993年,SiMSM-PDs被期刊正式报道时,频率响应带宽在465nm波长下已经达到75GHz[184]。2006年,Okyay等人[257]利用多步氢退火异质外延生长技术制备了高效的SiGeMSM-PD,该探测器在波长1.55μm,外加偏压2V下,响应率高达0.85A/W,相应的外量子效率为68%。为了降低Si/GeMSM-PDs器件的暗电流,除了可以使用与6.3节中InGaAs类器件类似的势垒增强技术外[258-261],还可以采用非对称电极。

基于GaAs、InGaAs材料的长波段MSM-PDs已经被大量研究,而在800nm的光通信波段,GaAs和SiMSM-PDs是可以相互替代的,并且SiMSM-PDs与GaAs MSM-PDs相比,制备成本更低,更容易实现大规模集成。关于SiMSM-PDs最早的报道见于1991年[183]。1993年,SiMSM-PDs被期刊正式报道时,频率响应带宽在465nm波长下已经达到75GHz[184]。该工作还表明受硅本身吸收深度的影响,器件在800nm附近响应速度明显变慢,相应地频率响应带宽为38GHz。同年,他们通过优化叉指电极的几何参数,又将频率响应带宽进一步优化到110GHz[251],该性能是在400nm短波长下测得的,他们并没有提供长波段的测试结果。

注意到硅在800nm波长附近的吸收深度达10μm量级,一定程度上制约了器件的响应速度后,Lee等人提出利用3~7μm厚的硅薄膜(远远小于其在830nm波长下的吸收深度,即12.7μm)制备SiMSM-PD,为了尽可能地不影响响应率,他们在硅薄膜的背面制作了如图6.5(a)所示的纹理,以改善硅薄膜的陷光性能,最终,他们所设计的器件较传统器件在响应率牺牲不大的前提下明显改善了频率响应特性[252]。1996年,Ho等人提出另一种方法来改善SiMSMPD在长波段的响应速度,即利用图6.5(b)所示的脊形硅结构[253]。该结构中硅脊的高度为9μm,保证了63%的790nm波长入射光被器件吸收,他们提出在这一设计中,光吸收区域的电场分布十分均匀,在硅脊下方的体硅区域吸收光产生的光生载流子可以被脊与脊之间夹着的金属电极迅速收集,从而大大提高了响应速度。该探测器在5V偏压下测得的3dB频率响应带宽为2.2GHz,较他们所制作的平面型器件提高了约5倍。

Ⅲ-Ⅴ族光电探测器虽然在1.3~1.55μm的通信波段取得了极大的成功,但是它们与硅半导体工艺的集成始终是一个难题。在这样一个背景下,研究者们开始探究SiGe结构的光电探测器。1998年,Colace等人报道了在Si衬底上外延生长Ge制备MSM-PD[256],为了将晶格失配引起的位错影响降到最低,他们在Si和Ge之间引入了一层低温生长的Ge缓冲层。该探测器在波长1.3μm和1.55μm下均展现了较好的响应率,偏压为1V时,响应率为0.24A/W,这种在硅衬底上外延Ge材料来研制高速光电子器件可以充分发挥Si和Ge各自的优势。2006年,Okyay等人[257]利用多步氢退火异质外延生长技术制备了高效的SiGeMSM-PD,该探测器在波长1.55μm,外加偏压2V下,响应率高达0.85A/W,相应的外量子效率为68%。在该工作中,他们还对比了Ti、Cr与Ni三种不同金属电极对器件性能的影响,他们发现相比于Ti和Cr,Ni电极器件肖特基势垒较低,导致其暗电流较高。

图6.5 (a)基于有纹理的硅薄膜上制作的MSM-PD的截面图[252];(b)具有脊形硅结构的MSM-PD的结构示意图[253];(c)具有对称电极和不对称电极的GeMSM-PDs的光响应和暗电流曲线[254];(d)SiMSM-PD的非对称电极SEM图[255]

为了降低Si/GeMSM-PDs器件的暗电流,除了可以使用与6.3节中InGaAs类器件类似的势垒增强技术外[258-261],还可以采用非对称电极。实际中,实现非对称电极的手段主要有材料不对称[254,262]及图案不对称[255,263,264]两种。如图6.1(d)所示,使用不同功函数的金属电极可以分别优化两端的肖特基势垒高度,从而降低暗电流,而光电流的大小与势垒高度并无关系。2003年,Chui等人[254]理论结合实验证实了这一点,他们对比研究了Ti、Ni电极及其组合对Si及GeMSM-PDs器件性能的影响规律,结果如图6.5(c)所示,由图可知,Ti/Ge/Ni结构与其他结构相比,光电流几乎相同,而暗电流却明显下降。上述研究是针对共面型器件展开的,2007年,Hwang等人针对垂直型MSM-PDs也进行了类似的研究[262]。在这项研究中,他们所选取的器件是在SiGe/Si双层半导体膜的上下表面分别镀电极的结构,具体探讨了Ni、Cr、Au三种电极材料两两组合对器件性能的影响,综合所有情况,他们发现Ni/SiGe/Si/Au器件具有最低的暗电流,该器件的明暗电流比达364.2,而Ni/SiGe/Si/Ni器件的明暗电流比仅为4.63。利用不对称图案金属电极降低暗电流是由2006年Okyay等人首次提出的[255],他们设计的电极图案如图6.5(d)所示,测试表明,电极图案的不对称性越明显,相应器件的暗电流越低。在这种设计中,面积较大的电极附近电流密度较小,相应地电场强度较小,反之则相反。肖特基势垒在不同电场强度下,镜像力降低不同[201]。因此,电极图案的不对称性本质上还是导致了势垒高度的不对称性,最终带来暗电流的降低。而2011年,Park和Yu的研究表明这种电极图案的不对称性带来的暗电流降低与所选用金属电极的材质有关[264]。他们制作了基于Ti的图案不对称电极器件,发现与对称器件的暗电流几乎相同,而基于Er的两种器件性能却大不相同,具体地,Er的图案不对称电极器件在反向偏压下可以有效地降低暗电流。

除此之外,也有人提出使用原子植入的方法来有目的性的改变肖特基势垒的高度以降低暗电流[265,266]。例如,2008年,Ang等人通过在单个NiGe/Ge界面处选择性地植入硫原子[265],把空穴肖特基势垒高度从0.1eV提高到0.49eV,暗电流在1V偏压下从2.45mA下降到0.92μA。并且,未植入硫的参比器件明暗电流响应曲线几乎重叠,而植入硫的器件在1550nm波长、1V偏压下的明暗电流比约为100,响应率为0.36A/W,相应的量子效率34%,-3dB频率响应带宽为15GHz。他们进一步的研究表明在电极两端分别植入两种不同特性的原子更有利于改善SiGeMSM-PD器件的性能[266]