高性能SOI基GePIN波導(dǎo)光電探測器的制備及特性研究?

王塵 許怡紅 李成 林海軍

1)(廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院,福建省光電技術(shù)與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廈門 361024)

2)(廈門工學(xué)院電子信息工程系,廈門 361024)

3)(廈門大學(xué)物理系,半導(dǎo)體光子學(xué)研究中心,廈門 361005)

高性能SOI基GePIN波導(dǎo)光電探測器的制備及特性研究?

王塵1)?許怡紅2)李成3)林海軍1)

1)(廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院,福建省光電技術(shù)與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廈門 361024)

2)(廈門工學(xué)院電子信息工程系,廈門 361024)

3)(廈門大學(xué)物理系,半導(dǎo)體光子學(xué)研究中心,廈門 361005)

本文報(bào)道了在SOI襯底上外延高質(zhì)量單晶Ge薄膜并制備高性能不同尺寸Ge PIN波導(dǎo)光電探測器.通過采用原子力顯微鏡、X射線衍射、拉曼散射光譜表征外延Ge薄膜的表面形貌、晶體質(zhì)量以及應(yīng)變參數(shù),結(jié)果顯示外延Ge薄膜中存在約0.2%左右的張應(yīng)變,且表面平整,粗糙度為1.12 nm.此外,通過暗電流、光響應(yīng)度以及3 dB帶寬的測試來研究波導(dǎo)探測器的性能,結(jié)果表明尺寸為4μm×20μm波導(dǎo)探測器在?1 V的反向偏壓下暗電流密度低至75 mA/cm2,在1.55μm波長處的響應(yīng)度為0.58 A/W,在?2 V的反向偏壓下的3 dB帶寬為5.5 GHz.

外延,鍺,波導(dǎo),光電探測器

1 引 言

高響應(yīng)度、高響應(yīng)速度、低暗電流,響應(yīng)波長在通信波段1.3—1.55μm的近紅外光電探測器是實(shí)現(xiàn)光互連芯片的重要組成部分.鍺(Ge)由于其禁帶寬度為0.66 eV,在光纖通信波段有較大的吸收系數(shù),且具有比Si具有更大的電子和空穴遷移率,相應(yīng)電子器件的響應(yīng)速度大,同時(shí)其制備技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝兼容等特點(diǎn),被視為制備片上光互連所需光電探測器的最好候選材料［1?3］,在硅基光電集成中有著廣泛的應(yīng)用前景.

傳統(tǒng)的垂直入射型Ge光電探測器由于入射光的傳播和吸收方向與載流子的輸運(yùn)方向相同,一方面,要獲得大的響應(yīng)度就需要增大Ge吸收層的厚度,另一方面,響應(yīng)速度卻與吸收層厚度成反比,兩者相互制約使得垂直入射器件結(jié)構(gòu)難以同時(shí)滿足高量子效率與高響應(yīng)速度性能要求［4,5］.相比之下,波導(dǎo)型Ge探測器由于入射光的傳播和吸收沿著波導(dǎo)方向,而載流子的輸運(yùn)方向則與之相垂直,將光電探測器的響應(yīng)度和響應(yīng)速度解耦合,在保持吸收區(qū)厚度的前提下,可以通過增加吸收長度提高器件的響應(yīng)度,從而有效提高器件的整體性能.由于以上Ge波導(dǎo)型探測器的優(yōu)越性,在實(shí)現(xiàn)高性能探測器及光電集成方面具有極其重要的作用,近年來受到人們的廣泛關(guān)注,并取得了一定的成果.如歐洲微電子研究中心［6］在SOI襯底上制備了160 nm超薄Ge波導(dǎo)探測器,其在?1 V時(shí)帶寬為67 GHz,響應(yīng)度為0.74 A/W;新加坡微電子研究所［7］在?5 V時(shí)倏逝耦合Ge波導(dǎo)探測器的帶寬達(dá)到5.5 GHz,響應(yīng)度在0.29 A/W;Vivien等［8］設(shè)計(jì)了脊型波導(dǎo)垂直端面耦合Ge光電探測器,在1.55μm下獲得了42 GHz帶寬及1 A/W的響應(yīng)度.此外,Feng等［9］設(shè)計(jì)和制備了脊型波導(dǎo)側(cè)向端面耦合Ge光電探測器,在?1 V的反向偏壓下,暗電流低至1.3μA,同時(shí)該偏壓下的帶寬超過32 GHz,響應(yīng)度在1 A/W以上.

本文在冷壁式超高真空化學(xué)淀積 (UHV/CVD)系統(tǒng)上,采用低溫Ge緩沖層生長技術(shù),在高濃度n型摻雜的SOI襯底上成功外延出高質(zhì)量的Ge薄膜,而后對外延Ge材料進(jìn)行了離子注入,形成p型Ge層,再經(jīng)過一系列的器件工藝后制備得到SOI基Ge PIN波導(dǎo)型探測器,結(jié)果表明尺寸為4μm×20μm波導(dǎo)探測器在1.55μm波長處的響應(yīng)度為0.58 A/W,在?1 V的反向偏壓下暗電流密度低至75 mA/cm2,在?2 V的反向偏壓下的3 dB帶寬為5.5 GHz.將我們小組制備得到的Ge PIN波導(dǎo)光電探測器與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果進(jìn)行器件性能對比,結(jié)果如表1所列,結(jié)果表明本文制備的Ge波導(dǎo)型光電探測器的暗電流密度、響應(yīng)度以及帶寬與其他文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果接近,具有較高的性能.

表1 本文制備的Ge PIN波導(dǎo)光電探測器與文獻(xiàn)報(bào)道的器件性能對比Table 1.A comparison of the performance of our Ge PIN waveguide photodetector with those from other groups.

2 實(shí) 驗(yàn)

本文制備的樣品是利用UHV/CVD系統(tǒng)在SOI基上外延Ge薄膜［13］.系統(tǒng)的本底真空度可達(dá)1×10?7Pa,配有高能電子衍射儀原位實(shí)時(shí)觀測生長過程,生長氣源為高純GeH4.具體的生長流程為:首先在經(jīng)過RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗后的SOI襯底(襯底頂層Si厚340 nm,BOX埋層為2μm)上通過固體源將P原子擴(kuò)散至340 nm的頂層Si中形成約200 nm的n+-Si重?fù)诫s層,而后傳入U(xiǎn)HV/CVD系統(tǒng)生長室中,采取低溫Ge緩沖層技術(shù)(低溫330°C/高溫600°C)外延生長750 nm的本征Ge層,得到如圖1(a)所示結(jié)構(gòu)的外延Ge材料,并采用原子力顯微鏡(AFM)對外延Ge薄膜進(jìn)行了表征,如圖1(b)所示,為外延Ge材料AFM的表面形貌及3D照片,掃描范圍為2μm×2μm,材料表面平整,粗糙度(RMS)僅為1.12 nm,滿足器件制作的需要.隨后,用X射線雙晶衍射(XRD)和拉曼散射譜(Raman)來表征外延Ge層的晶體質(zhì)量及應(yīng)變情況,測試曲線如圖1(c)和圖1(d)所示.從XRD曲線得到Ge衍射峰半高寬低至260.64,峰形對稱,無明顯的Si-Ge互擴(kuò)散,說明采用低溫Ge緩沖層技術(shù)外延的Ge薄膜具有良好的晶體質(zhì)量,并根據(jù)XRD應(yīng)變計(jì)算公式求得外延Ge層張應(yīng)變大小約0.18%.此外,根據(jù)拉曼散射光譜,通過高斯擬合得到Ge-Ge模峰位為299.8,而拉曼頻移與應(yīng)變的關(guān)系為ω(cm?1)=300.6—400·ε//,計(jì)算得到外延Ge層中的張應(yīng)變?yōu)?.2%,與XRD測試結(jié)果相近.隨后,對外延Ge薄膜在能量為30 keV、劑量為4×1015cm?2下進(jìn)行BF+2離子注入,再對離子注入樣品進(jìn)行了400°C-10 min的低溫預(yù)退火,擬初步修復(fù)離子注入損傷,減小高溫退火過程中的雜質(zhì)擴(kuò)散以及雜質(zhì)損失,從而提高Ge的摻雜濃度［13］.樣品經(jīng)過低溫預(yù)退火后,再在600°C下退火30 s,進(jìn)一步修復(fù)注入損傷同時(shí)激活雜質(zhì)離子,最終形成SOI基Ge PIN結(jié)構(gòu)材料.

在SOI襯底上完成材料生長和PIN結(jié)構(gòu)的形成等探測器材料的準(zhǔn)備工作后,通過一系列的器件制備工藝步驟如清洗、光刻、刻蝕、濺射、剝離等工藝流程,工藝過程中全部采用Al作金屬電極,最終完成SOI基Ge波導(dǎo)探測器的制備,器件截面示意圖以及掃描電子顯微鏡圖(SEM),如圖2所示,在傳輸波導(dǎo)中Ge層并未腐蝕掉,光纖中的光直接對準(zhǔn)器件橫截面,耦合進(jìn)入Si波導(dǎo)和Ge層中.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)SOI基Ge外延薄膜 (a)橫截面示意圖;(b)AFM表面形貌圖及3D圖;(c)XRD搖擺曲線;(d)拉曼散射光譜曲線Fig.1.(color online)SOI based epitaxial Ge fi lm:(a)A schematic diagram;(b)AFM surface and 3D images;(c)XRD pattern;(d)Raman scattering spectra.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)SOI基Ge PIN波導(dǎo)光電探測器 (a)橫截面示意圖;(b)SEM掃描圖Fig.2.(color online)SOI based Ge PIN waveguide photodetector(WG-PD):(a)A schematic diagram of the device structure;(b)the SEM image of the WG-PD.

3 結(jié)果與討論

用keithley 4200半導(dǎo)體參數(shù)測試系統(tǒng)對不同尺寸大小的SOI基Ge波導(dǎo)探測器進(jìn)行I-V特性曲線的測試,結(jié)果如圖3所示,探測器有源區(qū)臺面寬度為4μm,長度分別為20,50,80和100μm.從圖3看到,尺寸為4μm×20μm器件的暗電流最小,低至6×10?8A,對應(yīng)暗電流密度為75 mA/cm2.探測器暗電流隨臺面長度的增大而增大,且暗電流還隨著反向電壓的增大而持續(xù)增加,不易飽和,這是因?yàn)镚e探測器PIN結(jié)構(gòu)中包含了位錯(cuò)密度高的低溫Ge緩沖層,且材料表面進(jìn)行了離子注入后產(chǎn)生晶格損傷和缺陷經(jīng)過退火激活雜質(zhì)離子后并沒有得到完全修復(fù),這些位錯(cuò)和缺陷提供載流子的復(fù)合中心,導(dǎo)致器件暗電流隨反向偏壓的增加而持續(xù)增大.另外,通過I-V特性曲線,計(jì)算得到波導(dǎo)探測器的PN結(jié)的理想因子在1.4—1.6之間,說明暗電流中復(fù)合電流占的比重較大［10,14,15］,進(jìn)一步說明了器件有源區(qū)中存在著較多的復(fù)合中心,為了降低暗電流大小,提高Ge有源層的晶體質(zhì)量,可通過采用其他先進(jìn)的生長技術(shù)以及退火技術(shù)來實(shí)現(xiàn)［16］.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)不同尺寸SOI基Ge波導(dǎo)光電探測器的暗電流電壓特性曲線Fig.3.(color online)The dark-current-voltage characteristics of SOI based Ge PIN waveguide photodetectors with di ff erent sizes.

探測器光響應(yīng)度的測試設(shè)備包括半導(dǎo)體參數(shù)分析器、探測臺以及1550 nm波長激光器.1550 nm的單色激光通過單模光纖直接耦合到Ge波導(dǎo)中,被Ge層吸收,產(chǎn)生光電流.測試用的激光功率為24.7μW,如圖4(a)所示為有源區(qū)尺寸分別為4μm×20μm和4μm×50μm的Ge波導(dǎo)探測器光照前后I-V特性曲線,可以看到兩個(gè)探測器的光電流在0 V時(shí)都已經(jīng)達(dá)到飽和,說明在內(nèi)建電場的作用下,光生載流子完全被收集,進(jìn)一步加大反向電壓光電流并不會隨之增大.不考慮入射光反射及耦合的損耗,它們的光電流分別為14.3μA和18.8μA,對應(yīng)計(jì)算得到的光響應(yīng)度R大小為0.58 A/W和0.76 A/W,探測器波導(dǎo)長度越長,對光的吸收越充分,光響應(yīng)度越高.此外,量子效率η與光響應(yīng)度密切相關(guān),它是表征二極管將入射光信號轉(zhuǎn)化成電信號的能力的物理量,可由公式求得,式中R為光響應(yīng)度,q為電子電量,h為普朗克常數(shù),Iph為光電流,Popt為入射光功率,最終計(jì)算得到兩種尺寸對應(yīng)的量子效率η分別為46.4%和60.8%.隨后,對有源區(qū)尺寸為4μm×20μm的Ge波導(dǎo)探測器在1.55μm波長光照下的頻率響應(yīng)進(jìn)行了測試,如圖4(b)所示.當(dāng)探測器加?1 V的反向偏壓時(shí),器件的3 dB帶寬為4.3 GHz,繼續(xù)加大電壓至?2 V,帶寬升至5.5 GHz.說明在?1 V的反向偏壓下,不足以使光生載流子達(dá)到它的飽和漂移速率,隨著反向偏壓的增大,光生載流子漂移速率逐漸增大至飽和漂移速率,載流子漂移渡越時(shí)間減小,由漂移時(shí)間決定的器件頻率增大,器件的總3 dB帶寬增大.然而,通過理論計(jì)算［10,17,18］可得4μm×20μm的Ge波導(dǎo)探測器的3-dB帶寬能達(dá)到40 GHz,實(shí)際測試得到的值遠(yuǎn)低于理論值.其原因主要?dú)w結(jié)為以下兩方面:一方面,制備器件材料中包含了高位錯(cuò)密度的低溫Ge緩沖層以及未修復(fù)的注入缺陷,這些位錯(cuò)及缺陷對光生載流子有俘獲釋放的過程,增加了載流子漂移至電極的時(shí)間;另一方面,Al和n+-Si以及p+-Ge歐姆接觸的比接觸電阻率較大,而電極接觸面積較小,導(dǎo)致接觸電阻較大,RC延時(shí)嚴(yán)重.對比其他文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果［7,10?12,19］,綜合考慮器件各方面性能,我們制備得到的Ge PIN波導(dǎo)探測器的性能較高,可同時(shí)獲得較低的暗電流、較高的響應(yīng)度和帶寬.此外,通過提高Ge薄膜的晶體質(zhì)量、降低歐姆接觸的比接觸電阻率以及優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)等,可進(jìn)一步提高波導(dǎo)探測器的性能［20］.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)1.55μm波長下(a)兩種尺寸波導(dǎo)探測器的光電流響應(yīng);(b)尺寸為4μm×20μm探測器的歸一化頻率響應(yīng)Fig.4.(color online)(a)The current-voltage characteristics of the devices without illumination and with laser radiation;(b)normalized frequency responses at the wavelength 1.55μm for the detector with a size of 4μm×20μm.

4 結(jié) 論

本文利用UHV/CVD,基于低溫Ge緩沖層技術(shù),在n型摻雜的SOI襯底上外延生長了表面平整(RMS=1.12 nm)、具有0.2%的張應(yīng)變Ge薄膜,隨后通過離子注入及退火工藝形成PIN結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上經(jīng)過一系列的器件工藝,制備得到不同尺寸高性能SOI基Ge PIN波導(dǎo)光電探測器.波導(dǎo)探測器的性能通過測試暗電流、光電流響應(yīng)度以及3 dB帶寬來表征,結(jié)果表明尺寸為4μm×20μm波導(dǎo)探測器在?1 V的反向偏壓下暗電流密度低至75 mA/cm2,在1.55μm波長處的響應(yīng)度為0.58 A/W,在?2 V的反向偏壓下的3 dB帶寬為5.5 GHz.

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Fabrication and characteristics of high performance SOI-based Ge PIN waveguide photodetector?

Wang Chen1)?Xu Yi-Hong2)Li Cheng3)Lin Hai-Jun1)
1)(Fujian Provincial Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Devices,School of Opti-electronic and Communication Engineering,Xiamen University of Technology,Xiamen 361024,China)
2)(Xiamen Institute of Technology,Xiamen 361024,China)
3)(Department of Physics,Semiconductor Photonics Research Center,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

Silicon-based photonics has aroused an increasing interest in the recent year,mainly for optical telecommunications or optical interconnects in microelectronic circuits.The waveguide photodetector is one of the building blocks needed for the implementation of fast silicon photonics integrated circuits.The main considerations for designing such a device are the bandwidth,the power consumption and the responsivity.Germanium is now considered as an ideal candidate for fully integrated receivers based on silicon-on-insulator(SOI)substrates and complementary metal oxide semiconductor(CMOS)-like process because of its large optical absorption coefficient at the wavelength for optical communication.Therefore,the study of high speed and high responsivity Ge waveguide photodetectors is necessary.In this paper,high concentration phosphor doped SOI substrate is achieved by using solid-state source di ff usion at fi rst.Secondly,the high quality epitaxial germanium(Ge)is grown on phosphor doped SOI substrate by using low temperature Ge bu ff er layer technique based on the UHV/CVD system.The surface pro fi le,crystal quality and strain of epitaxial Ge fi lm are characterized by using atomic force microscopy,X-ray di ff raction(XRD),and Raman scattering spectrum.The results show that the Ge fi lm has a smooth surface of 1.12 nm roughness and about 0.2%tensile strain,which is veri fi ed by XRD characterization result.Thirdly,ptype Ge region is formed by BF+2implantation,and rapid thermal annealing to repair the implantation damages and activate impurity.Finally,the highperformance Ge PIN waveguide photodetectors with di ff erent sizes are fabricated by standard COMS technology.Moreover,the device performances,in terms of dark current versus voltage characteristics,photocurrent responsivity and 3 dB bandwidth,are well studied.The results show that the detector with a size of 4μm×20μm demonstrates a dark current density of 75 mA/cm2at?1 V and a photocurrent responsivity of 0.58 A/W for 1.55μm optical wavelength.In addition,an optical band width of 5.3 GHz at?2 V for 1.55μm is also demonstrated,which is far below theortical value of about 40 GHz.This can mainly be attributed to two aspects.On the one hand,Ge PIN structure contains low temperature Ge bu ff er layer,which has highdensity dislocation because of large lattice mismatch between Si and Ge.Those dislocations or defects can trap and release the photo-generated carrier,which increases the transit time.On the other hand,the contact characteristics of Al with n+-Si and p+-Ge are not very good,leading to a large contact resistance and RC delay.Through improving the above two aspects,the performance of Ge PIN waveguide photodetector will be further enhanced.

epitaxy,germanium,waveguide,photedetector

15 April 2017;revised manuscript

14 June 2017)

(2017年4月15日收到;2017年6月14日收到修改稿)

10.7498/aps.66.198502

?廈門理工學(xué)院2016年上半年校高層次人才科技類項(xiàng)目(批準(zhǔn)號:YKJ16012R)資助的課題.

?通信作者.E-mail:chenwang@xmut.edu.cn

?2017中國物理學(xué)會Chinese Physical Society

PACS:85.30.De,85.60.Gz,81.15.Gh

10.7498/aps.66.198502

*Project supported by the High Level Talent Project of Xiamen University of Technology,China(Grant No.YKJ16012R).

?Corresponding author.E-mail:chenwang@xmut.edu.cn