基于微纳结构的硅基高速探测器研究进展

发布时间：2021-08-01 19:15

　　传统平面入射型硅基探测器由于近红外吸收系数低,存在响应速度和探测效率的冲突,被认为不适用于短距离光纤通信领域。微纳结构可有效提高等效光程,使入射光被吸收层充分吸收,提高光电器件的量子效率,广泛应用于太阳电池、近红外增强探测器等领域。近期,研究者基于陷光微结构,实现了数据传输速率达20 Gb/s以上、与CMOS工艺兼容的硅基高速探测器,展现出了广阔的发展前景。文章对微纳结构的优化设计、制备方法、基于微纳结构的硅基高速探测器的研究进展进行了综述和分析。 

【文章来源】：半导体光电. 2020,41(03)北大核心

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

基于微纳结构的硅基高速探测器结构示意图

Gao等人[5]设计并制作了基于贯穿型微纳陷光结构的高速高响应硅基探测器。该探测器采用台面pin基本结构，光敏面直径为30μm，吸收区厚度约为2μm。光敏面通过干法刻蚀制备了贯穿整个吸收层的圆孔或漏斗型微纳孔阵列。微纳孔的直径范围为600～1 700nm，周期为900～2 000nm，排列方式为方形排列或六边形排列。该探测器的结构及实物如图2所示。通过FDTD(Finite-Different Time-Domain）分析可以看出，入射光经过微纳孔形成了横向传播的分量，在底部形成全反射，使光波尽可能地停留在吸收层。微纳孔阵列的周期对于横向分量的大小至关重要，当周期p小于波长λ时，横向分量可以趋近于零[16,43]。当p>λ时，横向分量大于纵向分量，使得光波能够从孔中进入硅材料从而被完全吸收。此外，漏斗型比圆柱型表现出更高的吸收率，且对波长更不敏感，增强响应的波段更宽。

Zang等人[44]设计并制备了基于倒金字塔型微纳结构阵列的单光子盖革模式雪崩二极管探测器（SPAD）。该器件采用常见的台面结构，总厚度为2.5μm，通过外延方法在SOI基片上制备而成。光敏面上通过以低温氧化硅为硬掩模，湿法腐蚀制备了周期为850nm，深度为600nm的倒金字塔微纳结构阵列。该探测器的结构及实物如图3所示。值得一提的是，该SPAD器件的顶部n+重掺杂层的厚度设计为0.6μm，以便完整地容纳表面微纳结构，降低对器件中高电场耗尽区的影响。这一厚度是Gao等人基于贯穿型微纳结构的探测器n+层厚度的2倍。过厚的n+层使得吸收深度较浅的短波光子所产生的载流子难以渡越n+层形成有效的光电流输出。因此，该SPAD探测器在400nm波长的量子效率仅为50%左右。


本文编号：3316095