SOI基鍺共振腔增強型光電探測器的制作與性能測試

蔡志猛， 陳荔群， 李 成

(1. 廈門華廈學(xué)院信息與機電工程系， 福建 廈門 361000；2. 集美大學(xué)誠毅學(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基鍺共振腔增強型光電探測器的制作與性能測試

蔡志猛1， 陳荔群2， 李 成3

(1. 廈門華廈學(xué)院信息與機電工程系， 福建 廈門 361000；2. 集美大學(xué)誠毅學(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. 基于諧振腔增強型探測器(RCE)理論， 模擬優(yōu)化了有源層和上下反射層的厚度尺寸. 傳輸矩陣方法計算結(jié)果顯示： 將SOI襯底自有二氧化硅、 硅層作為一對下反射層的情況下， 取2對SiO2/Ta2O5作為上反射層時, 量子效率可以達到接近56%. 制作的SOI基鍺光電探測器， 暗電流密度為0.65 mA·cm-2. 在 8 V的偏壓下， 探測器在1 550 nm處響應(yīng)度1.45 mA·W-1, 可以觀察到探測器的共振現(xiàn)象.

鍺; 共振腔增強型; SOI; 光電探測器

0 引言

光電探測器是硅基光子學(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]和光電探測器[4]等都已經(jīng)取得了較大進展， 硅基外延薄膜鍺材料成為硅集成光電探測器的絕佳選擇. 然而， 由于Ge 的吸收系數(shù)在波長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型(RCE)結(jié)構(gòu)制備探測器[6]. 該類型器件的有源層上下均有多對反射層以此構(gòu)成共振腔， 達到共振條件的入射光在共振腔內(nèi)來回反射， 使得光程增加， 吸收增強， 達到提高探測器的光響應(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， 又兼有波長選擇性， 對于吸收系數(shù)小的材料制作探測器特別合適.

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， 得出了器件各項的解析式. 然而該理論將有源區(qū)和反射層當(dāng)成一個獨立的系統(tǒng)， 因此對于具體的復(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. 總場強的切向分量自空氣傳播到襯底. 由此, 可將探測器的一系列參數(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)計了上下反射層的對數(shù)及厚度. 根據(jù)實驗中心自有鍍膜設(shè)備的條件， 考慮到材料生長條件限制結(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與工作波長和材料折射率的關(guān)系：

其中：λ和n分別是入射光波長和介質(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給出模擬不同對數(shù)反射層條件下的反射譜情況， 中心工作波長1 550 nm. 從圖2中可以看到DBR反射層為2對的條件下， 反射率約為77%, 3對的時候接近90%.

根據(jù)RCE增強型探測器的原理[8]， 對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)來定. 文[8]需要滿足R1=R2e-2αd才能達到最理想的效果. 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)計算R2在1 550 nm處可以達到72%， 我們的有源層厚度d為800 nm， 因此R1在取兩對的情況下就可以取得理想效果. 圖3是理論計算結(jié)果， 沒有諧振的情況下如圖3虛線所示， 點加線和實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波長處量子效率的峰值可以提高到57%.

2 SOI基鍺光電探測器的制備

SOI基鍺諧振腔增強型探測器是在本課題組先前制備的SOI基鍺MSM光電探測器的基礎(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， 通過反轉(zhuǎn)曝光工藝去掉臺面上的光刻膠. 接著利用電子束真空鍍膜機， 鍍上2對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行清洗， 得到所需圖形. 最終芯片經(jīng)過初次測試、 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基鍺光電探測器的性能測試和結(jié)果討論

3.1 器件的伏安特性

臺面尺寸為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)值與之前報道的暗電流密度為1.5～2 mA·cm-2[9]的同類探測器的暗電流密度相當(dāng). 相較于無共振腔的硅基鍺探測器的0.82 mA·cm-2[10]而言， 暗電流密度則更小， 說明在材料最后覆蓋的薄硅層起到了作用. 通過外延薄硅層使得原本由鍺和鋁電極形成的肖特基勢壘由于硅薄膜的介入得到了增強， 熱激發(fā)載流子越過勢壘相對較困難， 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基鍺諧振腔增強型金屬-半導(dǎo)體-金屬探測器在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. 長波長區(qū)域諧振效果不是很明顯， 推測原因是： 盡管相比于其他同類鍺探測器來說器件的暗電流已經(jīng)比較小了， 但對于微安量級的探測器來說還是比較大的， 受測量儀器精度的條件限制， 這個量級的暗電流對測量儀器而言還是偏大的， 因此噪聲信號整體偏大， 信號的測試就容易被干擾， 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波長激光器測試不同偏壓、 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. 由此說明外加偏壓下探測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-金屬探測器在1 550 nm波長處光電響應(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)激光器測試下， SOI基鍺諧振腔增強型MSM探測器在1 470～15 700 nm波長范圍內(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

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

2)設(shè)計制備出SOI基Ge RCE光電探測器， 由SOI隱埋的SiO2界面和表面反射構(gòu)成諧振腔， 觀測到共振效應(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

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

TN304

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