Si基图形化衬底Ge外延生长及Si基Ge波导型探测器研究
以硅为主导的微电子技术在过去的半个世纪里取得了举世瞩目的成就，大力推动了信息技术的发展，然而由于硅是间接带隙材料，在1.1μm以上波段没有响应等特点使得硅难以应用在一些光通信的有源器件中。锗虽然同为间接带材料，但是在光通讯波段有较高的吸收系数，并且与成熟的CMOS工艺兼容，从而在硅基光电子器件如光电探测器、场效应管等方面受到了广泛的重视。Si基Ge波导型探测器集合了Ge的优良特性和波导结构的优势，量子效率和带宽得到有效提升，然而Si、Ge之间的晶格失配和热失配导致的高粗糙度和高位错密度一直是我们面临的挑战，限制了器件性能的提高。因此，制备晶体质量好、位错密度低的Si基Ge薄膜及研制具有良好光响应的硅锗光电探测器具有重要的意义。本文主要开展了图形衬底外延Ge的工作以及Si基Ge波导探测器的制备和性能测试，具体工作如下: 1、利用有限元分析法模拟了在Si图形衬底上沉积Ge薄膜后的热失配情况，系统地研究了薄膜表面及内部的应变分布规律，计算了应变随薄膜厚度、衬底单元尺寸的变化关系。结果表明热失配应变在Si-Ge界面处最大，沿外延层生长方向递减;在薄膜表面，中心区域应变最大，由中心到边缘逐渐减小;薄膜越厚，应变越小;图形衬底单元的尺寸对薄膜应变有较大的影响，当衬底单元宽度在10μm以内时，更有利于薄膜应变的释放。 2、优化了硅衬底的各向异性湿法腐蚀和干法刻蚀工艺。在湿法腐蚀中，KOH腐蚀剂对硅和二氧化硅的选择比不好，腐蚀时间过长时，SiO2将形成沙眼结构。而TMAH溶液对硅和二氧化硅有良好的选择比，同时加入APS（过硫酸铵）和乳化剂Triton-X-100后腐蚀面粗糙度将进一步降低，图形的锐利度也得到加强。在硅的干法刻蚀中，比较了RIE和ICP两种模式的刻蚀效果，针对排布紧密的阵列型图形衬底，应选择ICP模式，刻蚀时间短，侧壁陡直性好。 3、研究了图形衬底和平面衬底上外延Ge在表面形貌、晶体半高宽、应变等方面的差异。外延生长的Ge层厚度为1.2μm，在图形衬底台面上Ge的生长出现{311}晶面，并且台面上的Ge层位错密度小于台面四周Ge的位错密度，XRD测试图形衬底外延Ge晶体半高宽为224.9 arcsec，比平面衬底（半高宽为256.3 arcsec)小;同时通过拉曼光谱计算图形衬底上Ge薄膜的应变为0.175％，平面衬底上Ge的应变为0.2％，图形衬底外延Ge的应变较小。 4、利用Rsoft软件对混合型波导探测器的光传输特性进行了模拟，优化后选取Ge层厚度为0.99μm，在不考虑光纤与波导耦合损耗的前提下，器件长度为20μm时可吸收85％的光。 5、在SOI基Ge外延材料上完整地制备了Ge波导探测器并进行了性能测试，-1 V偏压下器件的暗电流密度为0.2 mA/cm2，在波长1.31μm、-1 V的偏压下，器件响应度为64 mA/W，对应的外量子效率为6.06％。在此基础上，分析了影响器件性能的原因，提出了改进建议。
图形衬底;硅基锗薄膜;锗波导型探测器;外延生长;性能测试
厦门大学
硕士
微电子学与固体电子学
陈松岩
2014
中文
TN304.054.4;TN321.5
77
2014-09-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）