锗近红外光电探测器制备工艺研究进展
发布时间：2021-08-05 04:16
Ge材料由于在近红外波段具有较大的吸收系数、高的载流子迁移率、以及与Si工艺相兼容等优势而被视为制备近红外光电探测器最理想的材料之一。针对Ge光电探测器制备过程中面临的挑战,文中综述了近年来笔者所在的课题组在Ge探测器材料、器件及工艺方面的研究进展。首先介绍了Si基Ge材料的制备工艺,利用低温缓冲层生长技术、Ge/Si键合技术、Ge浓缩技术等分别制备得到高晶体质量的Si基Ge材料。研究了Ge材料n型掺杂工艺,利用离子注入结合两步退火处理（低温预退火和激光退火）以及利用固态磷旋涂工艺等分别实现Ge材料n型高掺浅结制备。最后探究了金属/Ge接触势垒高度的调制方法,结合金属中间层和透明导电电极ITO制备得到性能良好的Ge肖特基光电探测器。
【文章来源】：红外与激光工程. 2020,49(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
不同台面光电二极管的光暗电流；(b)不同波长光照射下光电二极管响应率变化[8]
研究低温缓冲层技术制备Si基外延Ge材料，在Si衬底上利用低温缓冲层技术外延生长了370 nm厚的Ge材料。为了进一步改善外延Ge的晶体质量，采用KrF准分子激光器(激光波长为248 nm)，在高纯氮气的气体氛围下以400～600 mJ/cm2的激光能量密度对外延Ge样品进行激光退火(ELA)处理[7]。一定能量密度的脉冲激光照射在Ge表面，可以使得Ge材料急速升温，极高的温度可以使得Ge表面迅速发生熔化再结晶的过程，并在热传导的作用下温度向里面迅速传输，从而对外延Ge材料起到退火的作用。图1显示了370 nm外延Ge样品在激光退火处理前后样品表面原子显微镜测试结果。可以看到，400～600 mJ/cm2能量密度的激光退火对于外延Ge表面平整度均有不同程度的改善，在400 mJ/cm2能量密度下，样品表面粗糙度RMS由2.2 nm降低至0.98 nm。XRD测试表明，即使在600 mJ/cm2能量密度的激光退火下，外延Ge样品仍然无明显Ge和Si互扩散现象发生。进一步笔者发现结合激光退火和高温长时间退火可以进一步提高Si衬底上外延Ge的晶体质量，在500 mJ/cm2能量密度下进行激光退火结合700℃、50 min高温长时间退火处理后，370 nm外延Ge样品XRD测试Ge(004)衍射峰半高宽由未做退火处理时的630″降低至485″，获得结晶质量较高的较薄的Si基Ge外延材料。
根据磷离子在Ge材料中的扩散行为，笔者提出结合低温预退火和脉冲激光退火的两步退火法，利用低温预退火初步修复注磷Ge衬底的离子注入损伤，接着对样品进行激光退火实现n型掺杂[17]。Ge衬底经过30 keV能量、5×1015cm-2剂量的磷离子注入后，进行400℃、10 min低温预退火结合150 mJ/cm2激光退火处理，样品的杂质激活浓度达到6×1019/cm3，而结深仅为44 nm。利用此方法制备得到整流特性良好的n+/p结二极管，其IV曲线整流比高达107，为国际报道的最好水平。如图3[18]所示，利用此方法制备而成的n+/p结二极管在-1 V偏压下对应的暗电流低至7.9 nA(暗电流密度约1 pA/μm2)，二极管在1 550 nm具备良好的响应特性，其响应度为0.48 A/W。2.2 Ge材料磷旋涂掺杂研究
【参考文献】：
期刊论文
[1]High-efficiency normal-incidence vertical p-i-n photodetectors on a germanium-on-insulator platform[J]. YIDING LIN,KWANG HONG LEE,SHUYU BAO,XIN GUO,HONG WANG,JURGEN MICHEL,CHUAN SENG TAN. Photonics Research. 2017(06)
[2]Formation of high-Sn content polycrystalline GeSn films by pulsed laser annealing on co-sputtered amorphous GeSn on Ge substrate[J]. 张璐,洪海洋,王一森,李成,林光杨,陈松岩,黄巍,汪建元. Chinese Physics B. 2017(11)
[3]智能剥离制备GOI材料[J]. 赖淑妹,毛丹枫,陈松岩,李成,黄巍,汤丁亮. 南京大学学报(自然科学). 2017(03)
[4]采用Al/TaN叠层电极提高Si基Ge PIN光电探测器的性能[J]. 吴政,王尘,严光明,刘冠洲,李成,黄巍,赖虹凯,陈松岩. 物理学报. 2012(18)
本文编号：3323049
【文章来源】：红外与激光工程. 2020,49(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
不同台面光电二极管的光暗电流；(b)不同波长光照射下光电二极管响应率变化[8]
研究低温缓冲层技术制备Si基外延Ge材料，在Si衬底上利用低温缓冲层技术外延生长了370 nm厚的Ge材料。为了进一步改善外延Ge的晶体质量，采用KrF准分子激光器(激光波长为248 nm)，在高纯氮气的气体氛围下以400～600 mJ/cm2的激光能量密度对外延Ge样品进行激光退火(ELA)处理[7]。一定能量密度的脉冲激光照射在Ge表面，可以使得Ge材料急速升温，极高的温度可以使得Ge表面迅速发生熔化再结晶的过程，并在热传导的作用下温度向里面迅速传输，从而对外延Ge材料起到退火的作用。图1显示了370 nm外延Ge样品在激光退火处理前后样品表面原子显微镜测试结果。可以看到，400～600 mJ/cm2能量密度的激光退火对于外延Ge表面平整度均有不同程度的改善，在400 mJ/cm2能量密度下，样品表面粗糙度RMS由2.2 nm降低至0.98 nm。XRD测试表明，即使在600 mJ/cm2能量密度的激光退火下，外延Ge样品仍然无明显Ge和Si互扩散现象发生。进一步笔者发现结合激光退火和高温长时间退火可以进一步提高Si衬底上外延Ge的晶体质量，在500 mJ/cm2能量密度下进行激光退火结合700℃、50 min高温长时间退火处理后，370 nm外延Ge样品XRD测试Ge(004)衍射峰半高宽由未做退火处理时的630″降低至485″，获得结晶质量较高的较薄的Si基Ge外延材料。
根据磷离子在Ge材料中的扩散行为，笔者提出结合低温预退火和脉冲激光退火的两步退火法，利用低温预退火初步修复注磷Ge衬底的离子注入损伤，接着对样品进行激光退火实现n型掺杂[17]。Ge衬底经过30 keV能量、5×1015cm-2剂量的磷离子注入后，进行400℃、10 min低温预退火结合150 mJ/cm2激光退火处理，样品的杂质激活浓度达到6×1019/cm3，而结深仅为44 nm。利用此方法制备得到整流特性良好的n+/p结二极管，其IV曲线整流比高达107，为国际报道的最好水平。如图3[18]所示，利用此方法制备而成的n+/p结二极管在-1 V偏压下对应的暗电流低至7.9 nA(暗电流密度约1 pA/μm2)，二极管在1 550 nm具备良好的响应特性，其响应度为0.48 A/W。2.2 Ge材料磷旋涂掺杂研究
【参考文献】：
期刊论文
[1]High-efficiency normal-incidence vertical p-i-n photodetectors on a germanium-on-insulator platform[J]. YIDING LIN,KWANG HONG LEE,SHUYU BAO,XIN GUO,HONG WANG,JURGEN MICHEL,CHUAN SENG TAN. Photonics Research. 2017(06)
[2]Formation of high-Sn content polycrystalline GeSn films by pulsed laser annealing on co-sputtered amorphous GeSn on Ge substrate[J]. 张璐,洪海洋,王一森,李成,林光杨,陈松岩,黄巍,汪建元. Chinese Physics B. 2017(11)
[3]智能剥离制备GOI材料[J]. 赖淑妹,毛丹枫,陈松岩,李成,黄巍,汤丁亮. 南京大学学报(自然科学). 2017(03)
[4]采用Al/TaN叠层电极提高Si基Ge PIN光电探测器的性能[J]. 吴政,王尘,严光明,刘冠洲,李成,黄巍,赖虹凯,陈松岩. 物理学报. 2012(18)
本文编号：3323049
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