蔡志猛， 陳荔群， 李 成

(1. 廈門華廈學(xué)院信息與機(jī)電工程系， 福建 廈門 361000；2. 集美大學(xué)誠(chéng)毅學(xué)院， 福建 廈門 361021;3. 廈門大學(xué)物理系光子學(xué)研究中心， 福建 廈門 361005)

SOI基鍺共振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器的制作與性能測(cè)試

蔡志猛1， 陳荔群2， 李 成3

(1. 廈門華廈學(xué)院信息與機(jī)電工程系， 福建 廈門 361000；2. 集美大學(xué)誠(chéng)毅學(xué)院， 福建 廈門 361021;3. 廈門大學(xué)物理系光子學(xué)研究中心， 福建 廈門 361005)

在超高真空化學(xué)氣相沉積設(shè)備上， 利用低溫生長(zhǎng)的硅鍺和鍺作為緩沖層， 在SOI襯底上成功外延出高質(zhì)量的鍺薄膜. 基于諧振腔增強(qiáng)型探測(cè)器(RCE)理論， 模擬優(yōu)化了有源層和上下反射層的厚度尺寸. 傳輸矩陣方法計(jì)算結(jié)果顯示： 將SOI襯底自有二氧化硅、 硅層作為一對(duì)下反射層的情況下， 取2對(duì)SiO2/Ta2O5作為上反射層時(shí), 量子效率可以達(dá)到接近56%. 制作的SOI基鍺光電探測(cè)器， 暗電流密度為0.65 mA·cm-2. 在 8 V的偏壓下， 探測(cè)器在1 550 nm處響應(yīng)度1.45 mA·W-1, 可以觀察到探測(cè)器的共振現(xiàn)象.

鍺; 共振腔增強(qiáng)型; SOI; 光電探測(cè)器

0 引言

光電探測(cè)器是硅基光子學(xué)領(lǐng)域中重要的研究課題之一[1]. 硅基鍺材料與硅工藝互相兼容， 容易實(shí)現(xiàn)硅基光電集成， 一些關(guān)鍵器件諸如調(diào)制器[2]、 激光器[3]和光電探測(cè)器[4]等都已經(jīng)取得了較大進(jìn)展， 硅基外延薄膜鍺材料成為硅集成光電探測(cè)器的絕佳選擇. 然而， 由于Ge 的吸收系數(shù)在波長(zhǎng)1 550 nm 以上急劇減小(α只有456 cm-1)[5]， 要想得到較高的量子效率， 需要加大吸收區(qū)的厚度， 這樣會(huì)降低器件的帶寬. 解決該問題的方法之一是采用諧振器腔增強(qiáng)型(RCE)結(jié)構(gòu)制備探測(cè)器[6]. 該類型器件的有源層上下均有多對(duì)反射層以此構(gòu)成共振腔， 達(dá)到共振條件的入射光在共振腔內(nèi)來(lái)回反射， 使得光程增加， 吸收增強(qiáng)， 達(dá)到提高探測(cè)器的光響應(yīng)度的效果. 這種器件構(gòu)造在提高器件的量子效率帶寬積的同時(shí)， 又兼有波長(zhǎng)選擇性， 對(duì)于吸收系數(shù)小的材料制作探測(cè)器特別合適.

1 器件結(jié)構(gòu)原理分析

RCE理論中， 以M S UNLU等[7]的自恰解析理論最為典型. 該理論用自恰的方法， 得出了器件各項(xiàng)的解析式. 然而該理論將有源區(qū)和反射層當(dāng)成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)， 因此對(duì)于具體的復(fù)雜器件， 該解析模擬就存在局限性. 傳輸矩陣模擬將上下反射層各層介質(zhì)都考慮進(jìn)去， 將所有的特征矩陣相互乘積算出器件量子效率. 該方法能較為準(zhǔn)確地模擬演算出具有多層DBR反射層的諧振腔結(jié)構(gòu)的反射率， 需要注意的是該方法假定出射光均被吸收.

其中：EOD是空氣中下行波；EOT是空氣中的上行波；ESD表示襯底中下行波；EST是襯底的上行波. 總場(chǎng)強(qiáng)的切向分量自空氣傳播到襯底. 由此, 可將探測(cè)器的一系列參數(shù)表示如下:

其中：r為反射系數(shù);R為反射率;t為透射系數(shù);T為透射率.

用生長(zhǎng)的鍺層作為有源層， 利用SOI襯底本身的SiO2/Si層作為下反射層， 采用電子束蒸發(fā)(E-bean)設(shè)備鍍膜多對(duì)氧化硅及五氧化二鉭作上反射層形成諧振腔， 器件結(jié)構(gòu)如圖1所示.

考慮到上下反射鏡的反射率及材料生長(zhǎng)工藝的條件， 本次材料外延的鍺層厚度為800 nm， 在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了上下反射層的對(duì)數(shù)及厚度. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)中心自有鍍膜設(shè)備的條件， 考慮到材料生長(zhǎng)條件限制結(jié)合折射率差等條件最終優(yōu)化采取Ta2O5/SiO2作為上反射層材料. 這兩種介質(zhì)膜的折射率差分別是2.1、 1.46， 相差比較大， 滿足作為反射層材料的條件. 下式表示反射鏡材料層的厚度dt與工作波長(zhǎng)和材料折射率的關(guān)系：

其中：λ和n分別是入射光波長(zhǎng)和介質(zhì)折射率. 由關(guān)系式可知, 在dt增加的條件下， DBR反射層的反射率譜寬隨之變窄， 因此要根據(jù)工藝要求選擇合適的反射層厚度. 采用Ta2O5/SiO2作為反射層， 雙層厚度分別為184和260 nm. 圖2給出模擬不同對(duì)數(shù)反射層條件下的反射譜情況， 中心工作波長(zhǎng)1 550 nm. 從圖2中可以看到DBR反射層為2對(duì)的條件下， 反射率約為77%, 3對(duì)的時(shí)候接近90%.

根據(jù)RCE增強(qiáng)型探測(cè)器的原理[8]， 對(duì)器件下反射層的反射率值有較高要求， 上反射層反射率取值則根據(jù)材料的吸收性質(zhì)來(lái)定. 文[8]需要滿足R1=R2e-2αd才能達(dá)到最理想的效果. 其中:R1、R2分別為上下反射層反射率；α表示吸收系數(shù)；d為有源層厚度. 根據(jù)計(jì)算R2在1 550 nm處可以達(dá)到72%， 我們的有源層厚度d為800 nm， 因此R1在取兩對(duì)的情況下就可以取得理想效果. 圖3是理論計(jì)算結(jié)果， 沒有諧振的情況下如圖3虛線所示， 點(diǎn)加線和實(shí)線則分別是在沒有上反射層和加了上反射層以后的結(jié)果. 相較于沒加上反射層及沒有諧振效應(yīng)的情況， 加了上反射層后， 在1.5～1.6 μm波段量子效率有所提高， 1 480 nm波長(zhǎng)處量子效率的峰值可以提高到57%.

2 SOI基鍺光電探測(cè)器的制備

SOI基鍺諧振腔增強(qiáng)型探測(cè)器是在本課題組先前制備的SOI基鍺MSM光電探測(cè)器的基礎(chǔ)上， 利用E-beam設(shè)備鍍上兩層SiO2/Ta2O5薄膜作為上反射層， 借用SOI襯底自身的SiO2/Si層作為下反射層形成諧振腔， 制作而成的. 制作工藝如圖4所示.

淀積前將I版作為掩膜版， 通過(guò)反轉(zhuǎn)曝光工藝去掉臺(tái)面上的光刻膠. 接著利用電子束真空鍍膜機(jī)， 鍍上2對(duì)SiO2/Ta2O5反射層. 其中： SiO2和Ta2O5厚度分別為260、 160 nm.

采用圖形反轉(zhuǎn)工藝玻璃獲取所需圖形. 具體方法為： 將樣品濺射后在丙酮溶液中浸泡48 h， 樣品表面光刻膠的部分將會(huì)有凸起和脫落現(xiàn)象， 然后將樣品放置于低頻波超聲清洗槽中進(jìn)行清洗， 得到所需圖形. 最終芯片經(jīng)過(guò)初次測(cè)試、 劃片、 金屬管座壓焊封裝完成制備工藝， 完成的器件如圖5所示.

3 SOI基鍺光電探測(cè)器的性能測(cè)試和結(jié)果討論

3.1 器件的伏安特性

臺(tái)面尺寸為195 μm×150 μm器件的伏安特性如圖6所示. 由圖可知探測(cè)器暗電流為19 nA(-1 V偏壓下)， 暗電流密度是0.65 mA·cm-2. 該數(shù)值與之前報(bào)道的暗電流密度為1.5～2 mA·cm-2[9]的同類探測(cè)器的暗電流密度相當(dāng). 相較于無(wú)共振腔的硅基鍺探測(cè)器的0.82 mA·cm-2[10]而言， 暗電流密度則更小， 說(shuō)明在材料最后覆蓋的薄硅層起到了作用. 通過(guò)外延薄硅層使得原本由鍺和鋁電極形成的肖特基勢(shì)壘由于硅薄膜的介入得到了增強(qiáng)， 熱激發(fā)載流子越過(guò)勢(shì)壘相對(duì)較困難， 暗電流得到了抑制.

3.2 器件的光響應(yīng)譜特性

在此基礎(chǔ)上為提高諧振效果， 通過(guò)優(yōu)化上下反射層條件， 淀積多層膜作為上反射層， SOI基鍺諧振腔增強(qiáng)型金屬-半導(dǎo)體-金屬探測(cè)器在1 200～1 600 nm區(qū)間的光譜響應(yīng)曲線如圖8所示， 器件在此范圍內(nèi)諧振效應(yīng)明顯. 長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域諧振效果不是很明顯， 推測(cè)原因是： 盡管相比于其他同類鍺探測(cè)器來(lái)說(shuō)器件的暗電流已經(jīng)比較小了， 但對(duì)于微安量級(jí)的探測(cè)器來(lái)說(shuō)還是比較大的， 受測(cè)量?jī)x器精度的條件限制， 這個(gè)量級(jí)的暗電流對(duì)測(cè)量?jī)x器而言還是偏大的， 因此噪聲信號(hào)整體偏大， 信號(hào)的測(cè)試就容易被干擾， 導(dǎo)致諧振效應(yīng)不明顯[11].

3.3 器件響應(yīng)度特性

利用1 550 nm波長(zhǎng)激光器測(cè)試不同偏壓、 不同入射光功率的條件下器件的響應(yīng)度曲線(如圖9). 從圖中可看出在0 V條件下1 550 nm處SOI基鍺 MSM探測(cè)器的響應(yīng)度值為0.012 mA·W-1. 隨著外加電壓的增加響應(yīng)度有很大的提高， 在-3 V電壓下， SOI基鍺MSM探測(cè)器在1 550 nm處的響應(yīng)度為0.39 mA·W-1， 在-8 V電壓下， 增加到1.45 mA·W-1. 由此說(shuō)明外加偏壓下探測(cè)器的光生載流子能夠更快地得到收集， 響應(yīng)度提高很多.

SOI基鍺金屬-半導(dǎo)體-金屬探測(cè)器在1 550 nm波長(zhǎng)處光電響應(yīng)—輸入光功率關(guān)系曲線如圖10. 可以看出， 外加電壓增強(qiáng)的情況下， 輸入光功率越大光電流也越大. 外加偏壓加大的情況下， 光電響應(yīng)—輸入光功率曲線斜率變大， 說(shuō)明器件的最大不飽和光功率也越大[11]. 在可協(xié)調(diào)激光器測(cè)試下， SOI基鍺諧振腔增強(qiáng)型MSM探測(cè)器在1 470～15 700 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的響應(yīng)度特性(見圖11). 兩種外加偏壓下， 均可觀察到明顯的共振. 在-3 V電壓下， 可明顯觀察到位于1 530 nm處諧振峰， 響應(yīng)度值為0.13 mA·W-1.

4 結(jié)語(yǔ)

1) 根據(jù)器件的I-U特性， 說(shuō)明我們制作的器件暗電流較小. 證明采用低溫生長(zhǎng)SiGe/Ge 緩沖層方法外延的鍺質(zhì)量較高.

2)設(shè)計(jì)制備出SOI基Ge RCE光電探測(cè)器， 由SOI隱埋的SiO2界面和表面反射構(gòu)成諧振腔， 觀測(cè)到共振效應(yīng)， 器件暗電流密度是0.65 mA·cm-2, 1 550 nm處的響應(yīng)度是1.45 mA.W-1.

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(責(zé)任編輯： 沈蕓)

Characteristics of SOI-based RCE-Ge photodetectors

CAI Zhimeng1, CHEN Liqun2, LI Cheng3

(1. Department of Information and Mechanical & Electrical Engineering, Xiamen Huaxia University, Xiamen, Fujian 361000， China;2. Chengyi College, Jimei University， Xiamen, Fujian 361021， China;3. Semiconductor Photonics Research Center, Department of Physics, Xiamen University, Xiamen, Fujian 361005, China)

Tensily strianed Ge thin films are successfully grown on SOI substrates by the UHV-CVD. The Ge layer are characterized with high quality. Based on the theory of resonant cavity enhanced detector (RCE) , the before and after DBR mirror and absorption layer thickness has been optimized designed . The simulation results show that: when the original SOI substrate silica / silicon works as a lower mirror, and the bottom mirror is 2 pairs of SiO2/Ta2O5, quantum efficiency can reach near 56%. Based on the optimal theoretical results, a SOI based germanium photodetector has fabricated, and the dark current density of the device is 0.65 mA·cm-2. The responsivity of the SOI-based RCE-MSM photodectors is 1.45 mA·W-1at 1 550 nm and -8 V. The resonant effect can be observed.

germanium; resonant cavity-enhanced; silicon-on-insulator; photodetector

10.7631/issn.1000-2243.2016.05.0656

1000-2243(2016)05-0656-05

2016-03-20

蔡志猛(1982-), 講師， 主要從事硅基光電子研究， czm@hxxy.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61474094)； 福建省中青年教師教育科研基金資助項(xiàng)目(JA15654)

TN304

A