Si基-近红外光电探测器解析

II型量子阱结构
Gex/SiⅡ型量子阱实现 了对电子和空穴较强的 限制，但引入的新问题 是电子和空穴的量子阱 不在空间同一位置 。 采用近邻限制的(NCS) 的II型量子阱结构 ，来 实现对电子、空穴的有 效的限制，由于在实空 间它们不在同一位置， 必须依靠隧穿效应实现 波函数的交叠而实现复 合跃迁。
5V偏压下暗电流为12pA/um2,1.3um响应 度为6.5mA/W,16V偏压下，外量子效率 为3.5％
5V偏压下暗电流为0.192pA/um2, 1.344um响应度1.2mA/W
二.基本原理
Si Ge 的性质 SiGe应变材料的性质
1.Si Ge 的性质
本征硅材料的长波吸收极限 为1.1um，截止波长1.12um。 用硅来实现1.3um ~1.6um红 外光的探测器。方法：能带 改性（如键合技术），或者 在硅中引入其它半导体材料。
Si Ge 晶体结构
Si 和Ge 都是间接带隙半导体材料,都是金刚石结构。具有相近的 晶格常数(分别为0. 543 1 nm 和0. 565 8 nm) 和电子亲和势(分别 为4. 00 eV 和4. 05 eV) 。
晶体结构示意图
导带等能面示意图
SiGe材料的性质
临界厚度
Si 和Ge 都是间接带隙半导体材料,
具有相近的晶格常数(分别为0. 543 1 nm 和0. 565 7 nm)晶格失配率 4.2％。应变Si1 - x Ge x 外延层中 的应力将随着层厚的增加而增大,
达到某一临界值时应力将驱动外延
层成岛或产生位错而获得弛豫
2.应变材料的性质
应变对带隙的影响 应变对si导带和价带的影响 Si1-xGex/Si 异质结两种能带结构
响应时间: 入射光照射到探测器上后，引起光电流产生所需要的 时间。 量子效率的带宽积：量子效率和带宽的乘积。
3.近红外硅基探测器的发展
－－键合技术
1995,InGaAs/InP键合在Si上,1.55um时外量 子效率80%, -5V时暗电流为0.29nA
Appl Phy Lett,1995,67(26)3936-3938
三.材料生长
ＵＨＶ－ＣＶＤ 表征
UHV-CVD主机（轴侧视图）
生长室 预处理室 进样室
手套箱操作室
Si 片外延基本步骤
1.Si片清洗：
Ⅲ号液 H2SO4+ H2O2 ，HF溶液漂洗(1:20)； Ⅰ号液 NH3OH+H2O2 ， HF溶液漂洗(1:20); Ⅱ号液 HCl+H2O2 ，吹干(普氮）。 2.样品传递： ⑴从手套箱进； ⑵直接从进样室进。 3.样品预处理室处理
2.1体材料
Eg (x)= 1.1 55 - 0. 43 x + 0. 206 x2 (0< x <0.85) Eg (x) = 2. 01 - 1. 27 x (0.85< x <1)
应变材料
Eg(x)=1.12-096x+0.43x2-017x3
2.2应变对si的影响——导带
∆2 is lowered with respect to the energy level of the four in-plane valleys ∆ 4
1.光电导效应 内 光电 2.光生伏特效应 PN结和PIN结 效应 雪崩效应 肖特基势垒 3.光电磁电效应探测器 1.光阴极发射光电子 2.光电倍增效应
相应的探测器
光敏电阻
外 光电 效应
光电二极管 雪崩光电二极管 肖特基势垒光电二极管 光电磁探测器 光电管 光电倍增管
2.3探测器的性能参数
响应波长: 探测器可能引起本征吸收的入射光的最长波长。当入
2.1 热探测器
热胀冷缩效应：液态的水银温度计、气态的高莱池（Golay cell）
温差（Seeback）效应: 热电偶和热电堆
共振频率对温度的敏感性：石英共振器非致冷红外成像阵列。
材料的电阻或介电常数的热敏效应 热释电效应
缺点：灵敏度低，响应速度慢
2.2光电探测器
名称 物理效应或原理
mt=0.19mo ml=0.98mo
应变对si的影响——价带
2.3 Si1-xGex/Si 异质结两种能带结构
Si1-xGex/Si 异质结 根据 生长条件的不同，可以得 到两种能带结构。分别为 I 型和Ⅱ型排列。对于 Ⅰ 型的发光研究，虽然取得 了一定的成绩，但突破不 大，其主要原因是量子阱 中导带差太小，量子阱对 电子的局域很弱，因而对 电子的收集效率不高。
1.474um时,半高宽12.5nm,量子 效率44%
－－在硅上外延Ge体材料
P 600C Ge-1um 350C Ge Si sub
2006年,1.55um响应度0.2A/W
10V偏压下暗电流1.07uA，1.3um处响应 度为0.37A/W
1.54um响应度0.73A/W,
带宽6.7GHz
GeSi量子阱和纳米岛探测器
2.红外探测器的分类
100多年来，从经典物理到20世纪开创的近物理，特 别是量子学、半导体物理等学科的创立，到现代的微观物 理、低维结构物理等，有许多而且越来越多利用探测的物 理现象和效应。红外辐射与物质（材料）相互作用产生各 种效应：
一、引起温度变化产生可度量的输出 热探测器
二、红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子，引 起电学性能的变化 光电探测器
射波长比响应波长短时，会发生强烈的吸收. 暗电流: 无光照时,电路上的电流.
量子效率: 单个入射光子在器件中所产生的对光电流有贡献
的电子－空穴对．即光生载流子与入射光子流的比值

Ip /e P oi / hv
R
Ip Po

e hv 1.24
响 应 度: 单位入射光功率产生的电流.
近红外光电探测器材料
——Si基材料
物理系

主要的三个部分
前言
引言 探测器的分类 近红外硅基探测器的进展
基本原理
Si Ge 的性质 SiGe应变材料的性质
材料生长
ＵＨＶ－ＣＶＤ 表征
一.前言
引言 探测器的分类 近红外硅基探测器的进展
1.引言
历史上，红外探测器的发展得益于战争尤其是 二次大战的刺激。随后的冷战时期，到现今的局部 战争，人们不断加深对红外探测器重要性的认识。 据美国市场调查，2002年美国红外技术市场达到12 亿美元，由于民用需求的急剧增长，军事应用的比 例正在稳步减小，红外探测器技术势必使21世纪的 红外科学技术加速开拓前进。