高性能硅基发光材料及硅MSM结构光电探测器的研制

摘要

硅是目前世界上矿藏最丰富且微电子工艺最成熟的半导体材料，也是光电集成最理想的半导体材料。但是由于硅具有间接带隙，跃迁几率很低，引起硅的发光效率极低，并且发光不稳定，因此硅基发光一直是硅光电集成中最重要的难题。另外，为实现全硅光电集成，硅探测器在光互连，大容量通讯等领域中具有深远的应用前景。硅MSM结构光电探测器工艺简单，与CMOS等工艺兼容，是硅光电集成研究的一个热点。但是，由于硅本身对光的吸收系数比较低引起对光的吸收长度较长，从而引起硅MSM结构光电探测器响应速率和响应度不高。 本文针对以上两个问题进行了研究，并为硅基光电单片集成做准备工作： 一.多孔硅发光的制备和钝化研究。硅的发光效率低及不稳定是限制硅基发光的关键瓶颈，本文提出一种新颖的臭氧(O3)环境制备和钝化方法来改善多孔硅的发光效率，取得以下重要结果： 1.该方法制备的多孔硅比传统方法制备的多孔硅发光强度增大了近一个数量级； 2.对O3环境下制备和钝化的多孔硅的发光稳定性进行了两方面的研究。一方面对样品进行高功率激光持续照射30分钟的PL演变测试，发现不管是新鲜样品还是自然环境中存放129天的样品，持续的激光照射只引起很小量的PL强度衰减然后就基本维持稳定状态；另一方面对样品进行存放158天跟踪测试，发现在开始存放的61天内，发光强度不断增强，61天之后，发光强度则基本保持稳定状态。两方面的稳定性研究与前人的实验报道具有更好的发光稳定性效果。 3.通过XPS，PL，FTIR等测试表明臭氧环境下制备的样品表面的钝化膜比较致密，氧化程度比较高，并且样品表面的化学成分基本稳定，这是样品发光强度和稳定性改善的原因。 二.硅MSM光电探测器的制备。为提高硅MSM光电探测器的响应度和响应速度，本文以实验室现有条件为基础，进行了下列工作： 1.设计了平版和凹槽两种电极结构以及5-5um和5-10um两种尺寸的硅MSM结构探测器； 2.在本实验室内，完成了版图制备，整套半导体器件工艺流程，以及器件封装测试等工作； 3.器件性能测试发现凹槽电极结构的探测器比平版型探测器在响应度方面提高了约6倍，5V偏压下，凹槽电极结构的探测器对650nm波长激光的光电响应度可达到0.486A/W，内量子效率达到了92.9％； 4.针对所制备的探测器暗电流偏大问题，我们也对其进行了分析讨论。 本文的主要创新点有： 1.所采用的O3环境制备和钝化多孔硅方法未见报道。该法具有制备简单，室温钝化的特点，且提高多孔硅发光强度和发光稳定性方面具有比国内或国外报道更好的效果。 2.U型凹槽电极的硅MSM结构探测器在国内未见同类报道，其器件在5V偏压下对650nm波长激光的光电响应度为0.486A/W，比平版电极结构的探测器提高了约6倍。

目录

文摘

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第一章前言

Part Ⅰ03环境制备和钝化多孔硅研究：第二章03环境制备和钝化多孔硅研究

§2.1多孔硅的制备

§2.1.1标准法

§2.1.2改进法

§2.2XPS测试分析5-ini-03-1h样品表面的氧化情况

§2.3新鲜样品PL比较

§2.3.1多孔硅样品发光机理解释

§2.3.2FTIR测试

§2.4改进法制备样品的PL稳定性研究

§2.4.15-ini-03-1h样品在高功率激光激发下的PL衰减情况

§2.4.2 5-ini-03-1h样品光致发光谱及表面化学成分稳定性的研究

§2.4.303纯化多孔硅存放实验与别人的存放研究比较

§2.5第一部分小结

参考文献

Part ⅡSi-MSM-PDR的器件优化设计与制备：第三章 Si-MSM-PD的基本工作原理和器件优化设计

§3.1硅MSM探测器的工作原理

§ 3.1.1能带结构

§3.1.2MSM探测器的电流-电压特性

§3.1.3MSM探测器的电容-电压特性

§3.1.4MSM探测器的几个主要性能参数

§3.2U型凹槽电极Si-MSM-PD的结构优化设计

§3.2.1凹槽电极器件结构的设计

§3.2.2钝化层的设计

§3.2.3器件结构尺寸的设计

§3.2.4金属电极的选择

§3.2.5器件设计结果

参考文献

Part ⅡSi-MSM-PDR的器件优化设计与制备：第四章版图设计与器件制备

§4.1版图设计

§4.2器件制备

参考文献

Part ⅡSi-MSM-PDR的器件优化设计与制备：第五章器件测试分析与结论

§5.1暗电流测试并分析比较

§5.2光电流测试并分析比较

§5.3相对响应光谱

§5.4绝对光电响应度

§5.5 Part Ⅱ 小结

参考文献

第六章总结

附录 发表论文

致谢