SOI基锗共振腔增强型光电探测器的制作与性能测试

蔡志猛， 陈荔群， 李 成

(1. 厦门华厦学院信息与机电工程系， 福建 厦门 361000；2. 集美大学诚毅学院， 福建 厦门 361021;3. 厦门大学物理系光子学研究中心， 福建 厦门 361005)

SOI基锗共振腔增强型光电探测器的制作与性能测试

蔡志猛1， 陈荔群2， 李 成3

(1. 厦门华厦学院信息与机电工程系， 福建 厦门 361000；2. 集美大学诚毅学院， 福建 厦门 361021;3. 厦门大学物理系光子学研究中心， 福建 厦门 361005)

在超高真空化学气相沉积设备上， 利用低温生长的硅锗和锗作为缓冲层， 在SOI衬底上成功外延出高质量的锗薄膜. 基于谐振腔增强型探测器(RCE)理论， 模拟优化了有源层和上下反射层的厚度尺寸. 传输矩阵方法计算结果显示： 将SOI衬底自有二氧化硅、 硅层作为一对下反射层的情况下， 取2对SiO2/Ta2O5作为上反射层时, 量子效率可以达到接近56%. 制作的SOI基锗光电探测器， 暗电流密度为0.65 mA·cm-2. 在 8 V的偏压下， 探测器在1 550 nm处响应度1.45 mA·W-1, 可以观察到探测器的共振现象.

锗; 共振腔增强型; SOI; 光电探测器

0 引言

光电探测器是硅基光子学领域中重要的研究课题之一[1]. 硅基锗材料与硅工艺互相兼容， 容易实现硅基光电集成， 一些关键器件诸如调制器[2]、 激光器[3]和光电探测器[4]等都已经取得了较大进展， 硅基外延薄膜锗材料成为硅集成光电探测器的绝佳选择. 然而， 由于Ge 的吸收系数在波长1 550 nm 以上急剧减小(α只有456 cm-1)[5]， 要想得到较高的量子效率， 需要加大吸收区的厚度， 这样会降低器件的带宽. 解决该问题的方法之一是采用谐振器腔增强型(RCE)结构制备探测器[6]. 该类型器件的有源层上下均有多对反射层以此构成共振腔， 达到共振条件的入射光在共振腔内来回反射， 使得光程增加， 吸收增强， 达到提高探测器的光响应度的效果. 这种器件构造在提高器件的量子效率带宽积的同时， 又兼有波长选择性， 对于吸收系数小的材料制作探测器特别合适.

1 器件结构原理分析

RCE理论中， 以M S UNLU等[7]的自恰解析理论最为典型. 该理论用自恰的方法， 得出了器件各项的解析式. 然而该理论将有源区和反射层当成一个独立的系统， 因此对于具体的复杂器件， 该解析模拟就存在局限性. 传输矩阵模拟将上下反射层各层介质都考虑进去， 将所有的特征矩阵相互乘积算出器件量子效率. 该方法能较为准确地模拟演算出具有多层DBR反射层的谐振腔结构的反射率， 需要注意的是该方法假定出射光均被吸收.

其中：EOD是空气中下行波；EOT是空气中的上行波；ESD表示衬底中下行波；EST是衬底的上行波. 总场强的切向分量自空气传播到衬底. 由此, 可将探测器的一系列参数表示如下:

其中：r为反射系数;R为反射率;t为透射系数;T为透射率.

用生长的锗层作为有源层， 利用SOI衬底本身的SiO2/Si层作为下反射层， 采用电子束蒸发(E-bean)设备镀膜多对氧化硅及五氧化二钽作上反射层形成谐振腔， 器件结构如图1所示.

考虑到上下反射镜的反射率及材料生长工艺的条件， 本次材料外延的锗层厚度为800 nm， 在此基础上设计了上下反射层的对数及厚度. 根据实验中心自有镀膜设备的条件， 考虑到材料生长条件限制结合折射率差等条件最终优化采取Ta2O5/SiO2作为上反射层材料. 这两种介质膜的折射率差分别是2.1、 1.46， 相差比较大， 满足作为反射层材料的条件. 下式表示反射镜材料层的厚度dt与工作波长和材料折射率的关系：

其中：λ和n分别是入射光波长和介质折射率. 由关系式可知, 在dt增加的条件下， DBR反射层的反射率谱宽随之变窄， 因此要根据工艺要求选择合适的反射层厚度. 采用Ta2O5/SiO2作为反射层， 双层厚度分别为184和260 nm. 图2给出模拟不同对数反射层条件下的反射谱情况， 中心工作波长1 550 nm. 从图2中可以看到DBR反射层为2对的条件下， 反射率约为77%, 3对的时候接近90%.

根据RCE增强型探测器的原理[8]， 对器件下反射层的反射率值有较高要求， 上反射层反射率取值则根据材料的吸收性质来定. 文[8]需要满足R1=R2e-2αd才能达到最理想的效果. 其中:R1、R2分别为上下反射层反射率；α表示吸收系数；d为有源层厚度. 根据计算R2在1 550 nm处可以达到72%， 我们的有源层厚度d为800 nm， 因此R1在取两对的情况下就可以取得理想效果. 图3是理论计算结果， 没有谐振的情况下如图3虚线所示， 点加线和实线则分别是在没有上反射层和加了上反射层以后的结果. 相较于没加上反射层及没有谐振效应的情况， 加了上反射层后， 在1.5～1.6 μm波段量子效率有所提高， 1 480 nm波长处量子效率的峰值可以提高到57%.

2 SOI基锗光电探测器的制备

SOI基锗谐振腔增强型探测器是在本课题组先前制备的SOI基锗MSM光电探测器的基础上， 利用E-beam设备镀上两层SiO2/Ta2O5薄膜作为上反射层， 借用SOI衬底自身的SiO2/Si层作为下反射层形成谐振腔， 制作而成的. 制作工艺如图4所示.

淀积前将I版作为掩膜版， 通过反转曝光工艺去掉台面上的光刻胶. 接着利用电子束真空镀膜机， 镀上2对SiO2/Ta2O5反射层. 其中： SiO2和Ta2O5厚度分别为260、 160 nm.

采用图形反转工艺玻璃获取所需图形. 具体方法为： 将样品溅射后在丙酮溶液中浸泡48 h， 样品表面光刻胶的部分将会有凸起和脱落现象， 然后将样品放置于低频波超声清洗槽中进行清洗， 得到所需图形. 最终芯片经过初次测试、 划片、 金属管座压焊封装完成制备工艺， 完成的器件如图5所示.

3 SOI基锗光电探测器的性能测试和结果讨论

3.1 器件的伏安特性

台面尺寸为195 μm×150 μm器件的伏安特性如图6所示. 由图可知探测器暗电流为19 nA(-1 V偏压下)， 暗电流密度是0.65 mA·cm-2. 该数值与之前报道的暗电流密度为1.5～2 mA·cm-2[9]的同类探测器的暗电流密度相当. 相较于无共振腔的硅基锗探测器的0.82 mA·cm-2[10]而言， 暗电流密度则更小， 说明在材料最后覆盖的薄硅层起到了作用. 通过外延薄硅层使得原本由锗和铝电极形成的肖特基势垒由于硅薄膜的介入得到了增强， 热激发载流子越过势垒相对较困难， 暗电流得到了抑制.

3.2 器件的光响应谱特性

在此基础上为提高谐振效果， 通过优化上下反射层条件， 淀积多层膜作为上反射层， SOI基锗谐振腔增强型金属-半导体-金属探测器在1 200～1 600 nm区间的光谱响应曲线如图8所示， 器件在此范围内谐振效应明显. 长波长区域谐振效果不是很明显， 推测原因是： 尽管相比于其他同类锗探测器来说器件的暗电流已经比较小了， 但对于微安量级的探测器来说还是比较大的， 受测量仪器精度的条件限制， 这个量级的暗电流对测量仪器而言还是偏大的， 因此噪声信号整体偏大， 信号的测试就容易被干扰， 导致谐振效应不明显[11].

3.3 器件响应度特性

利用1 550 nm波长激光器测试不同偏压、 不同入射光功率的条件下器件的响应度曲线(如图9). 从图中可看出在0 V条件下1 550 nm处SOI基锗 MSM探测器的响应度值为0.012 mA·W-1. 随着外加电压的增加响应度有很大的提高， 在-3 V电压下， SOI基锗MSM探测器在1 550 nm处的响应度为0.39 mA·W-1， 在-8 V电压下， 增加到1.45 mA·W-1. 由此说明外加偏压下探测器的光生载流子能够更快地得到收集， 响应度提高很多.

SOI基锗金属-半导体-金属探测器在1 550 nm波长处光电响应—输入光功率关系曲线如图10. 可以看出， 外加电压增强的情况下， 输入光功率越大光电流也越大. 外加偏压加大的情况下， 光电响应—输入光功率曲线斜率变大， 说明器件的最大不饱和光功率也越大[11]. 在可协调激光器测试下， SOI基锗谐振腔增强型MSM探测器在1 470～15 700 nm波长范围内的响应度特性(见图11). 两种外加偏压下， 均可观察到明显的共振. 在-3 V电压下， 可明显观察到位于1 530 nm处谐振峰， 响应度值为0.13 mA·W-1.

4 结语

1) 根据器件的I-U特性， 说明我们制作的器件暗电流较小. 证明采用低温生长SiGe/Ge 缓冲层方法外延的锗质量较高.

2)设计制备出SOI基Ge RCE光电探测器， 由SOI隐埋的SiO2界面和表面反射构成谐振腔， 观测到共振效应， 器件暗电流密度是0.65 mA·cm-2, 1 550 nm处的响应度是1.45 mA.W-1.

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[11] 蔡志猛. Si基Ge MSM光电探测器的研制[D]. 厦门： 厦门大学， 2008.

(责任编辑： 沈芸)

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-), 讲师， 主要从事硅基光电子研究， czm@hxxy.edu.cn

国家自然科学基金资助项目(61474094)； 福建省中青年教师教育科研基金资助项目(JA15654)

TN304

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