Si基Ge光电探测器的研制及性能分析_周志文

[收稿日期] 2012-08-07

[基金项目] 2010深圳信息职业技术学院科研项目（YB201003）

[作者简介] 周志文（1982- ），男（汉），湖北汉川人，博士，讲师，E-mail: zhouzw@http://www.77cn.com.cn

摘 要：以Si 衬底上外延Ge 薄膜为吸收区，研究了Si 基Ge 光电探测器的材料生长与器件制作工艺，并对材料晶体质量和器件性能进行表征分析。Ge 薄膜是采用低温缓冲层技术在超高真空化学气相沉积系统上生长的。1 μm 厚Ge 薄膜的表面仅出现纳米量级的岛，表面粗糙度只有1.5 nm 。Ge 薄膜的X 射线衍射峰形对称，峰值半高宽低于100 arc sec 。Ge 薄膜中存在0.14%的张应变。Si 基Ge 光电探测器在-1 V 偏压时暗电流密度为13.7 mA/cm2，在波长1.31 μm 处的响应度高达0.38 A/W ，对应外量子效率为36.0%，响应波长扩展到1.6 μm 以上。

关键词：光电探测器；锗；外延生长；张应变中图分类号：TN364 文献标识码：A

文章编号：1672-6332（2012）03-0090-05【博士论坛】

硅基光子学的研究引起了人们的广泛关注，一些关键器件如调制器[1]、激光器[2]以及光电探测器[3]等已经取得了重大进展。高性能的光电探测器在响应波段应该具备高响应度、低暗电流（噪声）等特点。室温下，硅的截止波长为1.1 μm，限制了Si 在近红外波段1.3~1.55 μm的应用。Ge的禁带宽度比Si小（0.67 eV vs 1.12 eV），在1.3~1.55 μm波段有较大的吸收系数，Ge材料成为硅基片上集成光电探测器的最佳选择[3-5]。

然而，高性能Si基Ge光电探测器的制备面临很多挑战。Ge与Si的晶格失配达4.2%，直接生长在Si 衬底上的Ge，表面起伏大，位错密度高。粗糙的表面将增加器件的制作工艺难度；高密度位错将降低器件的性能（增加暗电流、降低响应度等）。在Si 衬底上外延生长位错密度低、表面平整的Ge薄膜并不容易。与Si器件工艺相比，Ge的工艺条件并不成熟，器件制备也受到制约。本文研究了Si基Ge光电探测器的材料生长与器件制作工艺，并对材料晶体质量和器件性能进行表征分析。

1 器件结构

光电探测器的器件结构主要有两种：一种是垂

直入射，光的传输方向与PN结平面垂直，与光生载流子的运动方向平行；另一种是边入射，光的传输方向与PN结平面平行，与光生载流子的运动方向垂直。边入射结构的不足之处是入射光从侧面进入器件的吸收区，入射光的对准和耦合比较困难。因此，采用的器件结构为垂直入射台面结构，如图1所示。P型欧姆接触层和本征吸收区为外延Ge薄膜，N型欧姆接触层为高掺杂的Si衬底，绝缘钝化层为SiO2，金属电极为Al，入射光从器件表面垂直入射。本征Ge的设计厚度为800 nm，P型Ge的厚度和掺杂浓度分别设计为200 nm和~1018 cm-3。N型Si（100）衬底的电阻率为0.012~0.018 Ω·cm，对

应掺杂浓度为~2×1018 cm-3。

图1 Si 基Ge 光电探测器的结构示意图

Fig.1 Schematic cross section of Ge photodiode on Si substrate

Si基Ge光电探测器的研制及性能分析

周志文 , 叶剑锋, 贺敬凯

（深圳信息职业技术学院电子与通信学院, 广东 深圳 518172）

第3期91 2 材料生长

采用低温Ge缓冲层技术在超高真空化学气相

沉积（UHV/CVD）系统上生长Si基Ge光电探测器

的材料，生长源气体为高纯Si2H6和GeH4，P型掺

杂源为BH3（H2稀释至0.5%），更多细节可参考文

献[6]。首先在310 oC生长90 nm低温Ge缓冲层，释

放Ge-Si之间失配应力的同时获得一个相对平坦的

生长表面；随后升高温度到600 oC，相继生长710

nm本征Ge层和200 nm P型Ge掺杂层。P型B原子掺

杂是原位进行的，即生长P型Ge层时通入GeH4 和

BH3。二次离子质谱仪测试B的掺杂浓度为5×1017

cm-3。Ge在310和600 oC的生长速度分别为1.5和3.0

nm/min，B的掺入对Ge生长速度的影响不明显。

采用原子力显微镜（日本SⅡNano Technology

公司，SPI4000-SPA400，轻敲模式）和光学显微镜

观察样品的表面形貌和表面粗糙度。图2为Si基Ge

薄膜原子力显微镜扫描图，扫描范围为1×1 μm。

从图2可以看出，Ge的表面没有通常观察到的纵横

交错布纹，仅出现尺度为纳米量级的岛，表面粗糙

度仅为1.5 nm，表明表面很平整，粗糙度水平与文

献报道相当甚至更好[7,8]。

图2 Si基Ge薄膜表面形貌原子力显微镜图

Fig.2 Typical atomic force microscopy image of

epitaxial Ge film on Si substrate

采用X射线双晶衍射仪（英国Bede公司QC100

系统，X射线源为Cu κα1，λ=0.15406 nm）分析

了样品的组份和应变。图3为Si基Ge薄膜（004）面

X射线双晶衍射摇摆曲线，扫描模式为ω-2θ。图

3中观察到尖锐的Si衬底和外延Ge薄膜的衍射峰。

外延Ge薄膜衍射峰的峰形对称，峰值半高宽仅为94

arc sec，尖锐而对称的Ge衍射峰说明外延Ge薄膜的

位错密度低，且没有Si-Ge的互扩散[8]。另外，外

延Ge衍射峰的峰位比理论上体Ge的（图中虚线所

示位置）更偏向Si衬底。X射线双晶衍射（004）面

测试的是Ge垂直晶格常数，峰位向Si衬底偏移说明

Ge薄膜的垂直晶格常数比体Ge的小。可能有两种

原因：一是存在Si-Ge微弱的互扩散，使垂直晶格

变小（Si的晶格常数比Ge的小）；二是Ge层中存在

少量张应变，使平行晶格变大，根据四方畸变原

则，垂直晶格变小。由于Ge衍射峰对称，没有Si-

Ge的互扩散，说明峰位向Si衬底移动是由Ge层受

到张应变引起的。Ge的热膨胀系数比Si的大，高温

生长后，完全弛豫的Ge层冷却到室温的过程中，

Ge层平行晶格收缩受到Si衬底的阻碍，使Ge层的

平行晶格常数大于体Ge的，而垂直晶格常数小于

体Ge，在Ge层中引入了张应变。根据Bragg定律[8]

计算得到外延Ge的平行晶格常数为0.56656 nm，比

体锗（0.56575 nm）的大，表明外延Ge薄膜水平方

向受到张应变，张应变的大小为0.14%。X射线衍

射、原子力显微镜等测试结果说明外延Ge薄膜的晶

体质量满足探测器制作的要求。

图3 Si基Ge薄膜X射线衍射（004）对称面摇摆曲线，

虚线表示体Ge衍射峰的位置

Fig.3 X-ray diffraction rocking curve around (004) order of

epitaxial Ge flim on Si substrate. Straight dotted line indicates the

theoretical peak position of the bulk Ge

3 器件制作

采用标准光刻和腐蚀工艺制备了Si基Ge光电探

测器。根据器件结构和工艺条件，设计了三块光刻

板，分别用于台面、引线孔和金属电极。探测器的周志文 , 叶剑锋, 贺敬凯：Si基Ge光电探测器的研制及性能分析

92深圳信息职业技术学院学报第10卷

制作工艺流程如图4。首先，通过光刻和ICP-2B刻蚀机刻蚀Ge，形成探测器的有源区台面。刻蚀Ge 的工艺参数为：RF1=200W，RF2= 80W，CF4=38 sccm, O2=2 sccm，刻蚀时间为9.5 min，刻蚀深度~1.0 μm。器件台面分圆形和方形两种，尺寸分别为：圆形直径从24 到300µm，方形边长从20到200 µm。随后，采用PECVD淀积300 nm-SiO2作钝化层和抗反射膜，湿法BOE溶液腐蚀SiO2形成接触电极孔。最后，采用磁控溅射600 nm-Al，湿法腐蚀Al 形成金属电极。图5是直径为32µm的器件在制作过程中的光学显微镜 …… 此处隐藏：8693字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……