Si基近红外光电探测器总结

外延生长的三种平衡生长模式
FVDM VW SK
◇生长模式的选择依赖于： 1、淀积原子之间和它们与衬底之间键的强弱 2、两种材料的晶格失配
利用UHV-CVD 生长的多层量 子阱结构
表征
X射线
厚度 应变 组分
拉曼散射
应变和应力的测定 合金中组分x的测定
反射式高能电子电子衍射
一. X射线衍射原理
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
Hale Waihona Puke 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
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。
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 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
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
UHVCVD Source
右图为UHV/CVD系统中 的RHEED所拍Si(001） 衬底上外延Ge时时监测 图。
在晶体表面非常平整，衍 射图样为明锐的条纹；由 于生长条件控制得不够理 想，表而出现成岛趋势， RHEED图象呈现网格状 结构。
RHEED
脱氧前
脱氧后
长完后
实时监控表面信息
三 反射式高能电子电子衍射 RHEED （Reflection High Energy Electron Diffraction）
RHEED是UHV/CVD系统中 最重要的原位分析仪器之一。 主要由电子枪和荧光屏组成。 在正常工作时，电子束的能 量在20keV左右。利用 RHEED衍射图样的形式和清 晰度可原位地监测样晶表而 的清洁度、外延生长表而的 质量及表面的原子再构。
1. 应变和应力的测定
双轴压应力导致光学声子的附加平移，即合金层的 拉曼峰位与同组分的体合金相对应峰的峰位的差值， 记为δω。其大小由下式给出：
a.对于共度生长在Si （001）衬底上的 Si1-xGex 合金，
1 w (D1 +2D2 ) 2w0 式中 w0 是无应变时的声子频率， 为相关的形变势， D1D2 为共度生长的张应变和压应变。
由分子振动、固体中的光学声子 等元激发与激发光相互作用产生 的非弹性散射称为喇曼散射，瑞 利线与喇曼线的波数差称为喇曼 位移。
拉曼光谱在SiGe/S i 材料表征中的应用
由于Si，Ge对可见光不透明，因而拉曼散
射谱通常采用背散射或近背散射装置。 对于非极性晶体Si，Ge，纵，横向光学声 子的能量在Г 点是简并的，在拉曼谱中分别 为520 cm-1 和301 cm-1 。 由于Ge的单声子峰和Si的双声子峰具有相 近的波数（300 cm-1 ），因此在分析拉曼 谱时必须加以注意。
b.组分x
在Si （001）衬底上共度生长的 Si1xGex 合金由于应变引起的拉曼峰的 附加频移公式如下： δ wsi-si 31.8x
wsi-si 31.8x
δ wsi-Ge =26.5x δ
wGe-Ge 16.9x
wsi-Ge =26.5x
实线表示完全应变下三个合 金峰的峰位，虚线表示应变完全 弛豫时（即无应变Si1-xGex合金） 的峰位，实线和虚线之间的区域 表示部分弛豫。
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
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
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,
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
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。
C. 应力测定 δω与应变ε之间的关系为：
b
系数b一般是应变和组分x的函数，对于Si－Ge模是 一个与应变和组分无关的常数。 2 1 b=4.55 X 10 cm 由实验可得到 ， 因此可进一步得到 δω=4.55X102 ε d.对Si外延层中Si声子峰的峰位偏移δω与应力σ 之间 -1） 8 的关系为 （ cm σ=2.5X10 δω(Pa)
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。
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.
•基本原则：光程差为波长的整数倍
•理论依据：Bragg方程
q
q
A
qq
d
d d
B
O
光程差为波长的整倍数：2dsinө= nλ（n＝1）
d 为晶面间距，n为整数，一般为1
1 测量SiGe单层厚度 原理：
t ＝λsin θB/△θ sin2θB
△θ：SiGe外延层干涉条纹间的角距离 λ： x射线波长（CuKα1，Ge（004）单色器，0.154nm） θB： Si（004）的Bragg衍射角（34.564°）
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
结果分析：
Si0.91Ge0.09： △θ ＝113″，t＝0.17um （169.5±2.0nm） Si0.86Ge0.14： △θ ＝167″，t＝0.11um （108.3±2.0nm）
附图：
2.应变系数
ε＝△d/d＝－ctgθ×△θ
θ： Bragg角 △θ：SiGe外延层与硅衬底衍射峰之间的角距离 d： 衬底晶格常数 △d： 外延层与硅衬底间的晶格常数差

4.样品生长室去除SiO2：
5.材料生长 6.取片
反应原理
Si2H6(g) → 2Si(s)+3H2(g) Si2H6(g)+2Si(s)→2SiH3(s)+2Si(s) SiH3(s) +Si(s) →SiH2(s)+SiH(s) SiH2(s)+Si(s) →2SiH(s) 2SiH(s) →2Si(s)+H2(g) 2GeH4(g)→ H2(g)+ 2GeH3 2GeH3 → H2(g)+ 2GeH2 2GeH2 → H2(g)+ 2GeH 2GeH → H2(g)+ 2Ge
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。
3.组分（Vegard定律） x＝△d/dM＝△ θ/ △ θM
dM： Ge与Si的晶格常数差 △θM：Ge与Si衍射峰的角间距
二.喇曼效应
当光照射到物质上时会发生非弹性散射，散射光中除有与激发 光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长的和 短的成分，后一现象统称为喇曼效应。喇曼散射非常弱，大约为瑞 利散射的千分之一。