硅基锗金属—半导体—金属光电探测器的性能优化与设计研究

摘要

锗，因具有较高载流子迁移率、窄带隙、与硅的CMOS(complementarymetal-oxide-semiconductor, CMOS)工艺兼容等优势，在硅基光源、硅基光电探测器等方面有重要的应用。而随着信息化程度的不断提高，单片高密度光电集成是今后硅光子学的一个重要发展方向。硅基锗金属-半导体-金属(metal-semicondctor-metal，MSM)光电探测器，其结构简单易于制作、单位面积电容较低、响应波长可覆盖光通信波段(1.3-1.55μm)，可以作为光互连系统的高速光电响应器件。
　　本文主要侧重硅基锗MSM光电探测器的优化性能设计，从理论与实验角度探讨了抑制暗电流及进一步提高器件高速响应的方法。
　　从MSM光电探测器暗电流的产生机理着手，本文提出利用非对称叉指电极与非对称面电极结构降低暗电流。利用ATLAS软件进行了器件结构的仿真工作，并进行硅基锗MSM光电探测器的实验制备及性能测试工作。实验中对不同结构的MSM光电探测器进行了电流与响应度的测试工作，分析了器件结构对暗电流的影响。通过合理的非对称结构设计，可使得器件的暗电流降至μA量级，暗电流密度可达4.47A/cm2，1550nm的光电响应度达0.40A/W。
　　为解决器件3dB带宽与响应度之间的制约关系，本文利用表面等离子体共振增强效应进一步提高硅基锗MSM探测器的光电性能。采用时域有限差分(finitedifference time domain，FDTD)的方法，对器件的结构进行了仿真设计。对表面等离子体共振增强MSM光电探测器性能的机理进行了详细的分析，并详细分析了光栅周期等结构参数对共振增强的影响，最终得到1550nm归一化的光谱吸收53.77％、吸收增强因子7.22倍的器件结构。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 硅光子学的发展

1．1．1 硅光子学的研究内容——光互连

1．1．2 硅光子学的未来发展方向

1．2 硅基锗材料的性质及外延生长

1．2．1 锗的性质

1．2．2 锗膜的外延生长

1．3 硅基锗光电探测器的发展现状

1．3．1 硅基锗近红外光电探测器的比较

1．3．2 硅基锗MSM探测器的研究方向

1．4 本论文的研究工作

2 硅基锗MSM光电探测器的理论基础

2．1 MSM光电探测器基本理论

2．1．1 MSM光电探测器工作原理

2．1．2 MSM光电探测器的性能参数

2．1．3 MSM光电探测器的器件结构参数对性能参数的影响

2．2 硅基MSM光电探测器的暗电流抑制

2．2．1 暗电流产生机理

2．2．2 非对称又指电极抑制暗电流的机理

2．2．3 非对称面电极结构抑制暗电流机理

2．3 表面等离子体应用于MSM光电探测器

2．3．1 表面等离子体的概念

2．3．2 金属-介质界面激发表面等离子体

2．3．3 表面等离子体增强器件性能的原理

2．4 本章小结

3 硅基锗MSM光电探测器的仿真设计及制备测试

3．1 MSM光电探测器的仿真设计

3．1．1 仿真模型建立

3．1．2 非对称叉指电极MSM光电探测器的基础仿真

3．1．3 非对称面电极MSM光电探测器的基础仿真

3．2 器件制备工艺流程

3．2．1 实验流程

3．2．2 实验步骤

3．3 MSM光电探测器的实验测试

3．3．1 MSM器件形貌表征

3．3．2 暗电流特性测试

3．3．3 光谱响应测试系统

3．4 本章小结

4 硅基锗MSM光电探测器的实验结果及讨论

4．1 对称又指电极MSM光电探测器

4．1．1 对称叉指电极MSM的形貌表征

4．1．2 对称叉指电极硅基锗MSM的Ⅰ-Ⅴ特性

4．2 非对称叉指电极MSM光电探测器

4．2．1 非对称叉指电极MSM的形貌表征

4．2．2 非对称电极硅MSM的Ⅰ-Ⅴ特性

4．3 非对称面电极MSM光电探测器

4．3．1 非对称面电极MSM的形貌表征

4．3．2 非对称面电极硅基锗MSM的Ⅰ-Ⅴ特性

4．3．3 非对称面电极硅基锗MSM的光谱响应

4．4 本章小结

5 表面等离子体增强的硅基锗MSM光电探测器

5．1 模型建立

5．2 结构参数对表面等离子共振增强型MSM器件的影响

5．2．1 光栅周期及光栅厚度对器件性能的影响

5．2．2 光栅间距对器件性能的影响

5．2．3 锗的厚度对器件性能的影响

5．3 设计结果及讨论

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简历