Si基多层Ge量子点近红外光电探测器研制*

汪建元,陈松岩,李 成

(厦门大学物理与机电工程学院,福建 厦门 361005)



Si基多层Ge量子点近红外光电探测器研制*

汪建元,陈松岩,李 成*

(厦门大学物理与机电工程学院,福建 厦门 361005)

采用超高真空化学气相沉积(UHV/CVD)技术在Si衬底上外延生长了PIN结构多层Ge量子点探测器材料。PIN探测器结构由N型Si衬底,多层Ge量子点吸收区,和原位掺杂P型Si盖层构成,电极分别制作于N-Si和P-Si上,以获得好的欧姆接触。制备的Si基Ge量子点光电探测器具有较低的暗电流密度(-1 V偏压下为7.35×10-6A/cm2),与Si相比,探测波长延伸到1.31 μm波段。

多层Ge量子点;近红外光电探测器;UHV/CVD系统;自组织生长

由于Si在室温下禁带宽度Eg为1.12 eV,理论响应截止波长为1.1 μm,限制了其在光纤通信近红外波段的应用。Ge材料的直接禁带宽度Eg=0.8 eV,对应的截止波长为1.55 μm,且与Si基CMOS工艺相兼容,因此研制硅基Ge光电探测器引起极大的关注,并已取得很大的进展[1]。然而,由于Si、Ge材料之间存在4.2%的晶格失配,直接在Si晶片上生长Ge薄膜会产生较高密度的失配位错。国内外许多科研小组正在研究如何有效降低其位错密度[2],但目前Si基Ge探测器的暗电流仍然较大,制约了其灵敏度的提高及实用化。在Si衬底上以Stranski-Krastanov(S-K)模式生长自组装Ge量子点(岛)[3-4],因其通过成岛释放应力,使得Ge量子点的位错密度降低,甚至无位错,且结构上的三维限制特性[5],在光学和电学上表现出特有的性质,拓宽了Si基探测器在光学领域中的应用。本论文利用多层Ge量子点作为光吸收区,制备得到较低暗电流的多层Ge量子点近红外光电探测器,其在光纤通信波长1.31 μm也具有的入射光响应。

1 探测器材料制备

在Si上获得Ge量子点材料目前主要有两种方法:采用分子束外延(MBE)或化学气相沉积(CVD),在Si上进行自组织生长[6]。近年来也出现了图像化诱导Ge量子点有序可控生长方法[7],但其工艺较为复杂,且仅第1层量子点生长可控,无法实现多层可控。本论文采用超高真空化学气相沉积(UHV/CVD)系统进行材料制备。选用4英寸N型Si(100)衬底,电阻率在0.002 Ω·cm～0.006 Ω·cm左右。标准清洗后的Si衬底经过高温脱氧后进行自组织外延Ge量子点,单层二维生长后三维生长(Stranski-Krastanov)即层状加岛状生长模式。Ge量子点的生长形貌主要受3个生长参数影响:衬底温度、GeH4流量及生长时间。为了方便研究Ge量子点外延的实验条件,先进行了单层Ge量子点的生长。在UHV/CVD上外延一系列Si基Ge量子点材料,对衬底温度、GeH4流量和生长时间进行条件摸索。分别在600 ℃、550 ℃和500 ℃温度下进行GeH4流量为1 sccm～2 sccm,生长时间为4 min～6 min的Ge量子点生长。Ge量子点的表面形貌由原子力显微镜(AFM)表征。通过对表1中各种生长条件下Ge量子点数据形貌对比,可以看出:时间增长岛的尺寸增大,增大到某一平衡尺寸时,大岛尺寸不会明显变化,小岛增大,密度一直增加。随着温度升高3D岛的平均尺寸增大,并且密度降低。温度较低时形成金字塔形3D岛,温度较高时更容易形成圆顶形。GeH4流量增加,生长速率变快,岛的密度和尺寸显著增大,且3D岛的尺寸分布更加不均匀。综合考虑选用了衬底温度为550 ℃,GeH4流量为1 sccm,生长时间为5 min的生长条件作为多层量子点生长的最优方案。Ge量子点的分布密度达到5.5×109cm-2,量子点的宽度在120 nm～150 nm范围,高度在40 nm～60 nm范围。

表1 不同生长条件得到的Ge量子点数据形貌

进行多层Ge量子点的生长,还需要确定Si隔离层的厚度。由于埋层Ge量子点在Si隔离层上产生的应变分布,多层Ge量子会存在纵向的自对准效应[8]。实验表明,当隔离层厚度应小于48 nm时,垂直耦合排列的多层量子点结构明显[9-10]。Ge量子点垂直耦合排列现象对垂直入射的光信号的捕获会存在一定的盲区。增加Si隔离层厚度可以减小垂直耦合排列,但增加Si隔离层厚度同时也会影响探测器的响应性能。综合考虑,为避免Ge量子点的垂直耦合排列,使每层的Ge量子点随机分布,同时不影响探测器的响应度,论文所设计隔离层的厚度为70 nm左右。在UHV/CVD设备上Si隔离层生长条件:衬底温度为550 ℃,Si2H6流量为6 sccm,生长时间为600 s。采用衬底温度为550 ℃,是为了与Ge量子点生长温度一致,减少Ge与Si的互扩散。在生长完10个Ge量子点周期结构后,生长一层原位掺杂的P-Si层构成PIN结构,同理也采用衬底生长温度为550 ℃。Si2H6与B2H6分别以6 sccm和0.5 sccm的流量混合进入生长室,生长时间为1 800 s。掺B的Si层的厚度为大约150 nm,掺杂浓度1019cm-3,方块电阻测试得到的电阻率在10-3Ω·cm数量级,符合PIN探测器制备工艺要求。

材料生长过程全程用用高能电子束衍射仪RHEED实时监控外延层表面形貌的变化。图1给出Si衬底脱氧前后以及生长Ge量子点和Si隔离层的RHEED衍射图样。在UHV/CVD系统上生长PIN多层Ge量子点探测器结构时,衬底首先加热到850 ℃进行脱氧,脱氧后衬底表面衍射图样已经由1×1变成清晰的2×1再构图样。表明衬底上的SiO2已经完全分解,裸露出纯净的Si表面。在Si表面同质外延一层300 nm的Si缓冲层,以消除衬底缺陷对外延层的影响。此时观察RHEED衍射图样,2×1图样变得更加明亮清晰。在进行Ge量子点的生长过程中,RHEED衍射图样又由清晰的2×1图样变成点状图样,表明此时外延层是起伏的Ge点(岛)形成。生长Si隔离层后,衍射图形又由点状图样慢慢变化为2×1再构图样。表明此时Si隔离层填平了Ge点的间隙。在多层Ge量子点生长过程中,RHEED点状图样和2×1图样交替出现,表明材料生长状况与设计相符。

图1 生长过程中Rheed衍射图样

图2 探测器截面结构示意图和制备完成的探测器图形

2 探测器制备

Si基多层Ge量子点光电探测器制备成台面结构。图2给出探测器截面结构示意图以及探测器完成后的光学显微照片。探测器工艺主要包括:外延片清洗、光刻、刻蚀、沉积、溅射、湿法腐蚀、压焊等步骤。具体的工艺流程如图3所示。首先通过干法刻蚀制备出探测器台面结构,然后用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积600 nm SiO2作绝缘覆盖层,再光刻出电极接触孔,最后蒸镀300 nm的金属铝,并反刻出电极引线,并合金化。制备好的探测器用导电胶粘附于管座上,用金丝压焊到引脚,最终得到探测器如图4所示。

图3 探测器制备工艺流程

图4 压焊到金属管座上的探测器照片

3 探测器测试与分析

为检测Si基Ge量子点光电探测器的性能,对制备好的探测器进行了I-V特性、光谱响应和1.31 μm光激励响应特性测试[11]。暗电流测试是通过测量光电探测器在完全无光照射时探测器的伏安特性而得到的。由于光电探测器对可见光至红外光都有响应,为了减小信号的干扰,将样品放到一个暗室里。采用KEITHLEY公司的4200SCS半导体参数测试仪来测量探测器室温下的I-V特性。图5为台面尺寸为直径150 μm的探测器测试得到的I-V特性图。I-V特性曲线很好的体现PIN探测器特性,从图5可以看到探测器的击穿电压大于5 V,满足探测器正常工作电压要求(3.3 V～5.0 V)。分别取不同形状尺寸台面的探测器进行暗电流测试,得到Ge量子点探测器的暗电流如表2所示:-1 V偏压下平均值约为7.35×10-6A/cm2。探测器暗电流水平与相同工艺条件下制备的Ge探测器暗电流相比小2个数量级以上[12],与有报道的Ge量子点探测器暗电流水平相当[13]。

图5 Ge量子点探测器I-V特性曲线

表2 不同台面尺寸探测器暗电流测试值

图6 不同台面尺寸探测器的光谱响应曲线

探测器的光谱响应测试采用钨灯光源系统,从钨灯光源发出的光入射到单色仪,经过单色仪的分光作用,输出波长可调的单色光入射到斩波器形成调制光,然后入射到透镜组合系统,最后到待测探测器。信号经过锁相放大器后由NCL数据采集系统采集,并在电脑上记录下数据。图6是不同台面尺寸Ge量子点探测器的光谱响应曲线,台面尺寸分别为60 μm、100 μm和150 μm。纵坐标数值是锁相放大器的电压读数换算成光电流的相对强度。从图6可以看到,光谱响应的相对强度随着探测器吸收长度的增加而增加,其峰值在1 008 nm处。由于Ge量子点材料中的Ge组份较低,对1 300 nm的光的吸收系数很小,响应波长延伸到1 300 nm时光电流均已很小。

Si基Ge量子点探测器的在1.31 μm光激励响应度是通过计算光电流(已减去暗电流)与光功率的比值得到。测试时,取不同功率的1.31 μm光经光纤耦合后垂直照射在探测器的表面,测得的探测器光电流与所加偏压的关系如图7所示。当探测器的外加偏压达到-1.2 V时,探测器的光电流随着外加偏压的增加开始时急剧增加;另外,当到达一定反向偏压时,光电流趋于饱和,这是由载流子屏蔽效应引起的。根据图7,计算得到在-4 V偏压下对于1.31 μm红外光电响应度为0.013 mA/W。

图7 不同功率的1.31 μm光照下探测器与偏压的关系

论文制备得到的Si基多层Ge量子点光电探测器可以实现对红外光纤通信波段1.31 μm的光信号响应。其在-4 V偏压下响应度为0.013 mA/W,与文献报道采用工业流片得到的Ge量子点探测器(响应度为0.043 mA/W,在-3 V偏压下)相比较小。造成的原因分析主要有两方面:一是探测器制备工艺在实验室中完成,与工业流片工艺相比较容易引入污染和误差;二是测试仪器不够精密,光纤与探测器的对准存在着一定的损耗。

4 结论

从材料的设计生长到探测器的制备测试,采用了较为简单的材料外延工艺和较为普遍的探测器制备工艺,成功的完成了Si衬底上多层Ge量子点近红外光电探测器的研制。在优化Ge量子点的生长条件后,设计的多层Ge量子点间Si隔离层的厚度为70 nm,较好的避免Ge量子点的垂直耦合排列,使

Ge量子点分布更为均匀合理,增强了Ge量子点三维量子限制效应。使得制备的探测器具有良好的暗电流特性,也实现了对于1.31 μm近红外光电的响应,达到了本文探测器研制的目标,拓宽了Si基Ge材料的应用领域。

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Study of Si-Based Multilayer Ge Quantum Dots Near-Infrared Photodetector*

WANGJianyuan,CHENSongyan,LICheng*

(Department of Mechanical and Electrical Engineering,Xiamen University,Xiamen Fujian 361005,China)

The structure of multilayer Ge quantum dots(QDs)was eptaxial grown on Si substrate by ultra-high vacuum chemical vapor deposition(UHV/CVD)technique for detector fabrication. The intrinsic multilayer Ge QDs were acted as an absorption region,while the N-Si substrate and theinsitucapped P-Si layer were chosen for the formation of ohmic contact. The fabricated photodetector has a low dark current density(7.35×10-6A/cm2at -1 V),and the wavelength limit is extended to 1.31 μm compared with Si photodetector.

multilayer Ge QDs;near-infrared photodetector;UHV/CVD system;self-assembled growth

汪建元(1978-),男,厦门大学物理系半导体光子学中心工程师,主要负责超高真空化学气相沉积系统材料生长和设备维护,并协助学生完成锗、硅半导体器件制备,wangjianyuan@xmu.edu.cn;

李 成(1970-),厦门大学物理系博士生导师,长期从事硅基新型光电子材料的外延生长和器件的研制,在国内外杂志如Applied Physics Letters,IEEE photonic technology letters和国际会议上发表论文40多篇,其中被SCI收录20篇,lich@xmu.edu.cn。

项目来源:国家重大科学研究计划(2012CB933503)

2014-12-31 修改日期:2015-03-04

C:7230C

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.05.009

TN364.1

A

1004-1699(2015)05-0660-05