锗n+/p浅结及SOI基Ge波导型光电探测器的研制

摘要

Ge由于其在光纤通信波段(1.3～1.55μm)有较大的吸收系数，比Si具有更高的电子和空穴迁移率，与标准CMOS工艺兼容性好等优点，被广泛应用于Si基光电集成和微电子等领域。本文针对Ge器件制备过程中遇到的n型杂质掺杂难度大、金属与n-Ge接接触费米钉扎效应严重等问题，提出低温预退火与脉冲激光退火相结合的方法获得高掺杂浓度n型Ge以及高性能Ge n+/p浅结，开展了SOI基Ge波导探测器的结构设计以及研制工作，论文的主要工作内容和创新点如下:
　　1.系统研究了脉冲激光退火注磷Ge过程中的热输运以及杂质扩散的机理。结果表明，脉冲激光退火过程中Ge的熔化深度和熔化持续时间随激光退火能量密度均呈现近似线性增加的趋势;基于脉冲激光退火Ge中温度分布和热输运，建立脉冲激光退火过程磷在Ge中的扩散模型，表明磷的扩散主要发生在Ge熔化区域，其分布由扩散方程和熔化深度决定。
　　2.采用脉冲激光退火注磷Ge衬底，发现在激光退火能量密度小于500mJ/cm2时，退火后的样品表面光滑（RMS＜0.5 nm）。磷在Ge中的扩散深度随激光能量密度呈现线性变化，可利用这种现象来精确控制杂质在Ge中扩散深度;优化激光能量，当激光能量为250 mJ/cm2时，得到的n-Ge最大载流子浓度达到1020 cm-3，Al/n+-Ge接触的比接触电阻率低至1.61×10-6Ω·cm2。
　　3.提出低温预退火和激光退火相结合的两步退火法激活Ge中注入的磷杂质。低温预退火初步修复离子注入损伤，从而有效抑制脉冲激光退火过程中磷在Ge中的扩散，获得高的n-Ge掺杂浓度和Ge n+/p浅结;制备的Ge n+/p浅结二极管的结深约44nm，其反向漏电流密度低至8.3×10-5 A/cm2，整流比高达～107，是目前国际上报导的最好结果。该二极管在1.55μm处的光响应度为0.48 A/W。
　　4.理论分析和模拟了SOI基Ge波导光电探测器的光学传输特性和电学性能，优化设计探测器结构，给出探测器波导宽度、长度以及各材料层厚度等优化参数，为后续探测器的制备提供理论指导。
　　5.研制出SOI基Ge波导探测器。采用低温Ge缓冲层技术在SOI衬底上外延生长出结晶质量良好的Ge探测器材料，通过离子注入工艺形成p-Ge/i-Ge/n-Si探测器结构。制备的探测器暗电流随着反向电压略有增大，在-1V的反向偏压下，最小暗电流低至6×10-8A。在1.55μm波长入射光条件下，探测器光响应度达到0.76 A/W，3dB带宽约为5.5 GHz。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 Si基Ge波导探测器研究进展及存在问题

1．3 本论文的主要工作与结构安排

参考文献

第二章 注磷Ge脉冲激光退火的理论研究

2．1 n型Ge材料掺杂问题

2．2 磷离子注入Ge工艺模拟

2．3 注磷Ge脉冲激光退火的热输运及杂质扩散

2．3．1 注磷Ge脉冲激光退火的热输运

2．3．2 注磷Ge脉冲激光退火过程中杂质扩散机理研究

2．4 本章小结

参考文献

第三章 基于激光退火制备的Ge n+／p浅结二极管及其光电特性

3．1 脉冲激光激活Ge中注入杂质的研究

3．1．1 脉冲激光退火设备简介

3．1．2 脉冲激光对注磷Ge表面形貌及晶体质量的影响

3．1．3 脉冲激光退火对注磷Ge中杂质扩散与激活的影响

3．1．4 Ge n+／p二极管的制备与分析

3．2 基于两步退火法制备的Ge n+／p浅结二极管及光电特性研究

3．2．1 高性能Ge n+／p浅结二极管的制备

3．2．2 Ge n+／p浅结二极管的光电特性

3．3 本章小结

参考文献

第四章 SOI基Ge波导探测器的结构设计

4．1 SOI基Ge波导探测器的光学模拟

4．1．1 SOI脊型波导的单模传输

4．2．2 端面耦合型波导探测器的光学模拟

4．2 SOI基Ge波导探测器的结构设计

4．3 本章小结

参考文献

第五章 SOI基Ge波导探测器的制备与表征

5．1 SOI基Ge材料的外延生长

5．2 SOI基Ge波导探测器的制备

5．3 SOI基Ge波导探测器的性能测试

5．3．1 SOI基Ge波导探测器的I-V特性

5．3．2 SOI基Ge波导探测器的响应度和带宽

5．4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

附录 博士期间科研成果及获奖情况

致谢