Si基圖形化襯底Ge外延生長及Si基Ge波導(dǎo)型探測器研究.pdf

1、以硅為主導(dǎo)的微電子技術(shù)在過去的半個世紀(jì)里取得了舉世矚目的成就，大力推動了信息技術(shù)的發(fā)展，然而由于硅是間接帶隙材料，在1.1μm以上波段沒有響應(yīng)等特點使得硅難以應(yīng)用在一些光通信的有源器件中。鍺雖然同為間接帶材料，但是在光通訊波段有較高的吸收系數(shù)，并且與成熟的CMOS工藝兼容，從而在硅基光電子器件如光電探測器、場效應(yīng)管等方面受到了廣泛的重視。Si基Ge波導(dǎo)型探測器集合了Ge的優(yōu)良特性和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，量子效率和帶寬得到有效提升，然而Si、G

2、e之間的晶格失配和熱失配導(dǎo)致的高粗糙度和高位錯密度一直是我們面臨的挑戰(zhàn)，限制了器件性能的提高。因此，制備晶體質(zhì)量好、位錯密度低的Si基Ge薄膜及研制具有良好光響應(yīng)的硅鍺光電探測器具有重要的意義。本文主要開展了圖形襯底外延Ge的工作以及Si基Ge波導(dǎo)探測器的制備和性能測試，具體工作如下:
　　1、利用有限元分析法模擬了在Si圖形襯底上沉積Ge薄膜后的熱失配情況，系統(tǒng)地研究了薄膜表面及內(nèi)部的應(yīng)變分布規(guī)律，計算了應(yīng)變隨薄膜厚度、襯底單元

3、尺寸的變化關(guān)系。結(jié)果表明熱失配應(yīng)變在Si-Ge界面處最大，沿外延層生長方向遞減;在薄膜表面，中心區(qū)域應(yīng)變最大，由中心到邊緣逐漸減小;薄膜越厚，應(yīng)變越小;圖形襯底單元的尺寸對薄膜應(yīng)變有較大的影響，當(dāng)襯底單元寬度在10μm以內(nèi)時，更有利于薄膜應(yīng)變的釋放。
　　2、優(yōu)化了硅襯底的各向異性濕法腐蝕和干法刻蝕工藝。在濕法腐蝕中，KOH腐蝕劑對硅和二氧化硅的選擇比不好，腐蝕時間過長時，SiO2將形成沙眼結(jié)構(gòu)。而TMAH溶液對硅和二氧化硅有良好

4、的選擇比，同時加入APS（過硫酸銨）和乳化劑Triton-X-100后腐蝕面粗糙度將進(jìn)一步降低，圖形的銳利度也得到加強(qiáng)。在硅的干法刻蝕中，比較了RIE和ICP兩種模式的刻蝕效果，針對排布緊密的陣列型圖形襯底，應(yīng)選擇ICP模式，刻蝕時間短，側(cè)壁陡直性好。
　　3、研究了圖形襯底和平面襯底上外延Ge在表面形貌、晶體半高寬、應(yīng)變等方面的差異。外延生長的Ge層厚度為1.2μm，在圖形襯底臺面上Ge的生長出現(xiàn){311}晶面，并且臺面上的Ge

5、層位錯密度小于臺面四周Ge的位錯密度，XRD測試圖形襯底外延Ge晶體半高寬為224.9 arcsec，比平面襯底（半高寬為256.3 arcsec)小;同時通過拉曼光譜計算圖形襯底上Ge薄膜的應(yīng)變?yōu)?.175％，平面襯底上Ge的應(yīng)變?yōu)?.2％，圖形襯底外延Ge的應(yīng)變較小。
　　4、利用Rsoft軟件對混合型波導(dǎo)探測器的光傳輸特性進(jìn)行了模擬，優(yōu)化后選取Ge層厚度為0.99μm，在不考慮光纖與波導(dǎo)耦合損耗的前提下，器件長度為20μm時