Si基多層Ge量子點近紅外光電探測器研制*

汪建元,陳松巖,李 成

(廈門大學物理與機電工程學院,福建 廈門 361005)

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Si基多層Ge量子點近紅外光電探測器研制*

汪建元,陳松巖,李 成*

(廈門大學物理與機電工程學院,福建 廈門 361005)

采用超高真空化學氣相沉積(UHV/CVD)技術在Si襯底上外延生長了PIN結構多層Ge量子點探測器材料。PIN探測器結構由N型Si襯底,多層Ge量子點吸收區,和原位摻雜P型Si蓋層構成,電極分別制作于N-Si和P-Si上,以獲得好的歐姆接觸。制備的Si基Ge量子點光電探測器具有較低的暗電流密度(-1 V偏壓下為7.35×10-6A/cm2),與Si相比,探測波長延伸到1.31 μm波段。

多層Ge量子點;近紅外光電探測器;UHV/CVD系統;自組織生長

由于Si在室溫下禁帶寬度Eg為1.12 eV,理論響應截止波長為1.1 μm,限制了其在光纖通信近紅外波段的應用。Ge材料的直接禁帶寬度Eg=0.8 eV,對應的截止波長為1.55 μm,且與Si基CMOS工藝相兼容,因此研制硅基Ge光電探測器引起極大的關注,并已取得很大的進展[1]。然而,由于Si、Ge材料之間存在4.2%的晶格失配,直接在Si晶片上生長Ge薄膜會產生較高密度的失配位錯。國內外許多科研小組正在研究如何有效降低其位錯密度[2],但目前Si基Ge探測器的暗電流仍然較大,制約了其靈敏度的提高及實用化。在Si襯底上以Stranski-Krastanov(S-K)模式生長自組裝Ge量子點(島)[3-4],因其通過成島釋放應力,使得Ge量子點的位錯密度降低,甚至無位錯,且結構上的三維限制特性[5],在光學和電學上表現出特有的性質,拓寬了Si基探測器在光學領域中的應用。本論文利用多層Ge量子點作為光吸收區,制備得到較低暗電流的多層Ge量子點近紅外光電探測器,其在光纖通信波長1.31 μm也具有的入射光響應。

1 探測器材料制備

在Si上獲得Ge量子點材料目前主要有兩種方法:采用分子束外延(MBE)或化學氣相沉積(CVD),在Si上進行自組織生長[6]。近年來也出現了圖像化誘導Ge量子點有序可控生長方法[7],但其工藝較為復雜,且僅第1層量子點生長可控,無法實現多層可控。本論文采用超高真空化學氣相沉積(UHV/CVD)系統進行材料制備。選用4英寸N型Si(100)襯底,電阻率在0.002 Ω·cm～0.006 Ω·cm左右。標準清洗后的Si襯底經過高溫脫氧后進行自組織外延Ge量子點,單層二維生長后三維生長(Stranski-Krastanov)即層狀加島狀生長模式。Ge量子點的生長形貌主要受3個生長參數影響:襯底溫度、GeH4流量及生長時間。為了方便研究Ge量子點外延的實驗條件,先進行了單層Ge量子點的生長。在UHV/CVD上外延一系列Si基Ge量子點材料,對襯底溫度、GeH4流量和生長時間進行條件摸索。分別在600 ℃、550 ℃和500 ℃溫度下進行GeH4流量為1 sccm～2 sccm,生長時間為4 min～6 min的Ge量子點生長。Ge量子點的表面形貌由原子力顯微鏡(AFM)表征。通過對表1中各種生長條件下Ge量子點數據形貌對比,可以看出:時間增長島的尺寸增大,增大到某一平衡尺寸時,大島尺寸不會明顯變化,小島增大,密度一直增加。隨著溫度升高3D島的平均尺寸增大,并且密度降低。溫度較低時形成金字塔形3D島,溫度較高時更容易形成圓頂形。GeH4流量增加,生長速率變快,島的密度和尺寸顯著增大,且3D島的尺寸分布更加不均勻。綜合考慮選用了襯底溫度為550 ℃,GeH4流量為1 sccm,生長時間為5 min的生長條件作為多層量子點生長的最優方案。Ge量子點的分布密度達到5.5×109cm-2,量子點的寬度在120 nm～150 nm范圍,高度在40 nm～60 nm范圍。

表1 不同生長條件得到的Ge量子點數據形貌

進行多層Ge量子點的生長,還需要確定Si隔離層的厚度。由于埋層Ge量子點在Si隔離層上產生的應變分布,多層Ge量子會存在縱向的自對準效應[8]。實驗表明,當隔離層厚度應小于48 nm時,垂直耦合排列的多層量子點結構明顯[9-10]。Ge量子點垂直耦合排列現象對垂直入射的光信號的捕獲會存在一定的盲區。增加Si隔離層厚度可以減小垂直耦合排列,但增加Si隔離層厚度同時也會影響探測器的響應性能。綜合考慮,為避免Ge量子點的垂直耦合排列,使每層的Ge量子點隨機分布,同時不影響探測器的響應度,論文所設計隔離層的厚度為70 nm左右。在UHV/CVD設備上Si隔離層生長條件:襯底溫度為550 ℃,Si2H6流量為6 sccm,生長時間為600 s。采用襯底溫度為550 ℃,是為了與Ge量子點生長溫度一致,減少Ge與Si的互擴散。在生長完10個Ge量子點周期結構后,生長一層原位摻雜的P-Si層構成PIN結構,同理也采用襯底生長溫度為550 ℃。Si2H6與B2H6分別以6 sccm和0.5 sccm的流量混合進入生長室,生長時間為1 800 s。摻B的Si層的厚度為大約150 nm,摻雜濃度1019cm-3,方塊電阻測試得到的電阻率在10-3Ω·cm數量級,符合PIN探測器制備工藝要求。

材料生長過程全程用用高能電子束衍射儀RHEED實時監控外延層表面形貌的變化。圖1給出Si襯底脫氧前后以及生長Ge量子點和Si隔離層的RHEED衍射圖樣。在UHV/CVD系統上生長PIN多層Ge量子點探測器結構時,襯底首先加熱到850 ℃進行脫氧,脫氧后襯底表面衍射圖樣已經由1×1變成清晰的2×1再構圖樣。表明襯底上的SiO2已經完全分解,裸露出純凈的Si表面。在Si表面同質外延一層300 nm的Si緩沖層,以消除襯底缺陷對外延層的影響。此時觀察RHEED衍射圖樣,2×1圖樣變得更加明亮清晰。在進行Ge量子點的生長過程中,RHEED衍射圖樣又由清晰的2×1圖樣變成點狀圖樣,表明此時外延層是起伏的Ge點(島)形成。生長Si隔離層后,衍射圖形又由點狀圖樣慢慢變化為2×1再構圖樣。表明此時Si隔離層填平了Ge點的間隙。在多層Ge量子點生長過程中,RHEED點狀圖樣和2×1圖樣交替出現,表明材料生長狀況與設計相符。

圖1 生長過程中Rheed衍射圖樣

圖2 探測器截面結構示意圖和制備完成的探測器圖形

2 探測器制備

Si基多層Ge量子點光電探測器制備成臺面結構。圖2給出探測器截面結構示意圖以及探測器完成后的光學顯微照片。探測器工藝主要包括:外延片清洗、光刻、刻蝕、沉積、濺射、濕法腐蝕、壓焊等步驟。具體的工藝流程如圖3所示。首先通過干法刻蝕制備出探測器臺面結構,然后用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)沉積600 nm SiO2作絕緣覆蓋層,再光刻出電極接觸孔,最后蒸鍍300 nm的金屬鋁,并反刻出電極引線,并合金化。制備好的探測器用導電膠粘附于管座上,用金絲壓焊到引腳,最終得到探測器如圖4所示。

圖3 探測器制備工藝流程

圖4 壓焊到金屬管座上的探測器照片

3 探測器測試與分析

為檢測Si基Ge量子點光電探測器的性能,對制備好的探測器進行了I-V特性、光譜響應和1.31 μm光激勵響應特性測試[11]。暗電流測試是通過測量光電探測器在完全無光照射時探測器的伏安特性而得到的。由于光電探測器對可見光至紅外光都有響應,為了減小信號的干擾,將樣品放到一個暗室里。采用KEITHLEY公司的4200SCS半導體參數測試儀來測量探測器室溫下的I-V特性。圖5為臺面尺寸為直徑150 μm的探測器測試得到的I-V特性圖。I-V特性曲線很好的體現PIN探測器特性,從圖5可以看到探測器的擊穿電壓大于5 V,滿足探測器正常工作電壓要求(3.3 V～5.0 V)。分別取不同形狀尺寸臺面的探測器進行暗電流測試,得到Ge量子點探測器的暗電流如表2所示:-1 V偏壓下平均值約為7.35×10-6A/cm2。探測器暗電流水平與相同工藝條件下制備的Ge探測器暗電流相比小2個數量級以上[12],與有報道的Ge量子點探測器暗電流水平相當[13]。

圖5 Ge量子點探測器I-V特性曲線

表2 不同臺面尺寸探測器暗電流測試值

圖6 不同臺面尺寸探測器的光譜響應曲線

探測器的光譜響應測試采用鎢燈光源系統,從鎢燈光源發出的光入射到單色儀,經過單色儀的分光作用,輸出波長可調的單色光入射到斬波器形成調制光,然后入射到透鏡組合系統,最后到待測探測器。信號經過鎖相放大器后由NCL數據采集系統采集,并在電腦上記錄下數據。圖6是不同臺面尺寸Ge量子點探測器的光譜響應曲線,臺面尺寸分別為60 μm、100 μm和150 μm?？v坐標數值是鎖相放大器的電壓讀數換算成光電流的相對強度。從圖6可以看到,光譜響應的相對強度隨著探測器吸收長度的增加而增加,其峰值在1 008 nm處。由于Ge量子點材料中的Ge組份較低,對1 300 nm的光的吸收系數很小,響應波長延伸到1 300 nm時光電流均已很小。

Si基Ge量子點探測器的在1.31 μm光激勵響應度是通過計算光電流(已減去暗電流)與光功率的比值得到。測試時,取不同功率的1.31 μm光經光纖耦合后垂直照射在探測器的表面,測得的探測器光電流與所加偏壓的關系如圖7所示。當探測器的外加偏壓達到-1.2 V時,探測器的光電流隨著外加偏壓的增加開始時急劇增加;另外,當到達一定反向偏壓時,光電流趨于飽和,這是由載流子屏蔽效應引起的。根據圖7,計算得到在-4 V偏壓下對于1.31 μm紅外光電響應度為0.013 mA/W。

圖7 不同功率的1.31 μm光照下探測器與偏壓的關系

論文制備得到的Si基多層Ge量子點光電探測器可以實現對紅外光纖通信波段1.31 μm的光信號響應。其在-4 V偏壓下響應度為0.013 mA/W,與文獻報道采用工業流片得到的Ge量子點探測器(響應度為0.043 mA/W,在-3 V偏壓下)相比較小。造成的原因分析主要有兩方面:一是探測器制備工藝在實驗室中完成,與工業流片工藝相比較容易引入污染和誤差;二是測試儀器不夠精密,光纖與探測器的對準存在著一定的損耗。

4 結論

從材料的設計生長到探測器的制備測試,采用了較為簡單的材料外延工藝和較為普遍的探測器制備工藝,成功的完成了Si襯底上多層Ge量子點近紅外光電探測器的研制。在優化Ge量子點的生長條件后,設計的多層Ge量子點間Si隔離層的厚度為70 nm,較好的避免Ge量子點的垂直耦合排列,使

Ge量子點分布更為均勻合理,增強了Ge量子點三維量子限制效應。使得制備的探測器具有良好的暗電流特性,也實現了對于1.31 μm近紅外光電的響應,達到了本文探測器研制的目標,拓寬了Si基Ge材料的應用領域。

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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,廈門大學物理系半導體光子學中心工程師,主要負責超高真空化學氣相沉積系統材料生長和設備維護,并協助學生完成鍺、硅半導體器件制備,wangjianyuan@xmu.edu.cn;

李 成(1970-),廈門大學物理系博士生導師,長期從事硅基新型光電子材料的外延生長和器件的研制,在國內外雜志如Applied Physics Letters,IEEE photonic technology letters和國際會議上發表論文40多篇,其中被SCI收錄20篇,lich@xmu.edu.cn。

項目來源:國家重大科學研究計劃(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