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《ge_xsi_(1-x)si應變超晶格pin探測器的研制》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、第19卷第8期 半 導 體 學 報 Vol.19,No.81998年8月 CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSAug.,1998GexSi1-x?Si應變超晶格3PIN探測器的研制萬建軍 李國正 李 娜 許雪林 劉恩科(西安交通大學微電子工程系 西安 710049)摘要 本文對GexSi1-x?Si應變超晶格PIN探測器進行了分析和設計(其中x=0.6),并制作出了相應的器件.對典型器件的測試結(jié)果表明,在113Lm光照下,反偏電壓為-5V時,光響應電流為216LA,暗電流為40
2、0nA,探測靈敏度為01153LA?LW.最大總量子效率為1412%.PACC:4282,0670,6155,68651 引言光纖通信主要有兩個引人注意的波段,即018～019Lm波段和113～116Lm波段.在018～019Lm波段,硅(Si)雪崩光電探測器(APD)具有增益高、噪聲低、響應快和價格低等優(yōu)點,目前尚無其它光電探測器能與之匹敵.在113～116Lm波段,以前大都采用鍺(Ge)雪崩[1]光電探測器,但由于鍺中空穴和電子的離化系數(shù)之比很小,其過量噪聲因子很大,因而這類探測器工作時的過剩噪聲很大.如果一種探測器同時具有兩者的優(yōu)點
3、,既能探測113～116Lm的光,又沒有太大的過剩噪聲,將是人們求之不得的.由此人們自然會想到利用兩者的合金材料.隨著分子束外延(MBE)技術的出現(xiàn),已經(jīng)生長出了應變GexSi1-x?Si異質(zhì)結(jié)和[2]超晶格材料,研究表明,隨著Ge含量的不同,可使GexSi1-x合金的吸收長波限在113～[3]1155Lm范圍內(nèi)變化,并且它具有良好的電學性能,因此它可以用來制造113～116Lm波[4][5,6][7]段的探測器.1986年,Luryi,Temkin和Pearsall等人報道了用GexSi1-x?Si超晶格材料做吸收層,在硅片上制備了可在
4、113～116Lm波長范圍內(nèi)工作的PIN型及雪崩倍增型光電探測器.本文將介紹我們研制的GeSi?Si應變超晶格PIN探測器,該探測器和Si外延型單模脊形波導集成在一起.2 結(jié)構(gòu)及工作原理我們研制的探測器的結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示,這里把探測器和Si外延型單模脊形波導集成3本課題受國家自然科學基金資助萬建軍 碩士生,目前在劉恩科教授指導下,從事全硅集成光學器件的研究1997206211收到,1998201209定稿598 半 導 體 學 報 19卷圖1GeSi?Si應變超晶格PIN探測器的兩種結(jié)構(gòu)[3]在一起是為了提
5、高器件的外量子效率.圖2是該探測器的能帶圖.從光纖耦合入波導的光到達探測器時,由于超晶格材料的折射率比波導(外延Si層)的大,光將從波導散射出來,進入超晶格中被吸收,產(chǎn)生光生電子和空穴對,在反向偏壓的作用下,電子和空穴分別向兩極漂移,從而產(chǎn)生光生電流.3 波導及探測器的設計3.1 波導的設計圖2 探測器的能帶圖這里所用的波導是硅外延單模脊形波導,由于半導體的折射率隨載流子濃度升高而降低,若在重摻雜的Si襯底上外延輕摻雜的Si,就可[8,9]以制作出外延平面波導.在平面波導的基礎上,利用大截面理論,就可以設計出能與單模光纖有效耦合的單模脊形
6、波導.我們采用的尺寸為:波導厚度為3Lm,腐蝕深度為112Lm,波導頂寬度為8Lm或10Lm.3.2 探測器設計探測器的設計主要包括應變超晶格(SLS)材料的組分比、超晶格的總厚度及周期數(shù)和探測器的長度等.GexSi1-x?Si應變超晶格層是光的吸收層,為使波長113～116Lm的光能被有效吸收,GexSi1-x的禁帶寬度Eg(x)應滿足Eg(x)<1.24?K(eV)(=0.95eV,當K=1.3Lm時)(1)[10] 由Eg(x)=1112-0174x可算得x>0123.[5]Temkin等人測量發(fā)現(xiàn),隨著Ge含量的不同,探測器的內(nèi)
7、量子效率隨入射波長的變化關系亦不同,如圖3所示,可見,當x=016時,材料對該波段的光的吸收系數(shù)最大,故取x=016為最佳.GexSi1-x與Si的晶格常數(shù)不同,Si上外延生長圖3 不同鍺含量下內(nèi)量子效率的GexSi1-x應變層的厚度增大到一定值時,應變能隨入射光波長的關系將通過產(chǎn)生失配位錯釋放出來,Si上生長GexSi1-x8期 萬建軍等:GexSi1-x?Si應變超晶格PIN探測器的研制 599有一個臨界厚度hc.據(jù)文獻[11],hc可表示為2xhc=1.33ln(hc?0.4)(2)上式中x為鍺的含量,hc
8、以nm為單位.對于GexSi1-x?Si超晶格,若組分用等效組分xSLS表示xSLS=[tGeSi?(tGeSi+tSi)]x=rx(3)其中 r為占空比(DutyCycle);tGeSi和t
