Si基近紅外光電探測器總結(jié)

1、近紅外光電探測器材料 Si基材料 物理系 主要的三個部分 ?前言 ?引言 ?探測器的分類探測器的分類 ?近紅外硅基探測器的進(jìn)展近紅外硅基探測器的進(jìn)展 ?基本原理 ?Si Ge 的性質(zhì)的性質(zhì) ?SiGe應(yīng)變材料的性質(zhì)應(yīng)變材料的性質(zhì) ?材料生長 ? ?表征 一.前言 ?引言 ?探測器的分類探測器的分類 ?近紅外硅基探測器的進(jìn)展近紅外硅基探測器的進(jìn)展 1.引言 歷史上，紅外探測器的發(fā)展得益于戰(zhàn)爭尤其是二次大戰(zhàn)的刺激。隨后的冷戰(zhàn)時期，到現(xiàn)今的局部戰(zhàn)爭，人們不斷加深對紅外探測器重要性的認(rèn)識。據(jù)美國市場調(diào)查，2002年美國紅外技術(shù)市場達(dá)到 12億美元，由于民用需求的急劇增長，軍事應(yīng)用的比例正在穩(wěn)步減小，紅

2、外探測器技術(shù)勢必使 21世紀(jì)的紅外科學(xué)技術(shù)加速開拓前進(jìn)。 2.紅外探測器的分類 100多年來，從經(jīng)典物理到 20世紀(jì)開創(chuàng)的近物理，特別是量子學(xué)、半導(dǎo)體物理等學(xué)科的創(chuàng)立，到現(xiàn)代的微觀物理、低維結(jié)構(gòu)物理等，有許多而且越來越多利用探測的物理現(xiàn)象和效應(yīng)。紅外輻射與物質(zhì)（材料）相互作用產(chǎn)生各種效應(yīng)： 一、引起溫度變化產(chǎn)生可度量的輸出 熱探測器 二、紅外輻射光子在半導(dǎo)體材料中激發(fā)非平衡載流子，引起電學(xué)性能的變化 光電探測器 2.1 熱探測器 ?熱脹冷縮效應(yīng)：液態(tài)的水銀溫度計、氣態(tài)的高萊池（Golay cell） ?溫差（Seeback）效應(yīng): 熱電偶和熱電堆 ?共振頻率對溫度的敏感性：石英共振器非致冷紅外

3、成像陣列。 ?材料的電阻或介電常數(shù)的熱敏效應(yīng) ?熱釋電效應(yīng) ?缺點(diǎn)：靈敏度低，響應(yīng)速度慢 2.2光電探測器 名稱名稱 物理效應(yīng)或原理物理效應(yīng)或原理 1.光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 內(nèi)內(nèi) 2.光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 光電光電效應(yīng)效應(yīng) PN結(jié)和結(jié)和PIN結(jié)結(jié) 相應(yīng)的探測器相應(yīng)的探測器 光敏電阻光敏電阻 光電二極管光電二極管 雪崩光電二極管雪崩光電二極管 肖特基勢壘光電二極管肖特基勢壘光電二極管 光電磁探測器光電磁探測器 光電管光電管 光電倍增管光電倍增管 外外 光電光電效應(yīng)效應(yīng) 雪崩效應(yīng)雪崩效應(yīng) 肖特基勢壘肖特基勢壘 3.光電磁電效應(yīng)探測器光電磁電效應(yīng)探測器 1.光陰極發(fā)射光電子光陰極發(fā)射光電子 2.

4、光電倍增效應(yīng)光電倍增效應(yīng) 2.3探測器的性能參數(shù) 射波長比響應(yīng)波長短時，會發(fā)生強(qiáng)烈的吸收射波長比響應(yīng)波長短時，會發(fā)生強(qiáng)烈的吸收. ? 暗電流暗電流: 無光照時無光照時,電路上的電流電路上的電流. ? 響應(yīng)波長響應(yīng)波長: 探測器可能引起本征吸收的入射光的最長波長。當(dāng)入探測器可能引起本征吸收的入射光的最長波長。當(dāng)入 ?量子效率量子效率: 單個入射光子在器件中所產(chǎn)生的對光電流有貢獻(xiàn)單個入射光子在器件中所產(chǎn)生的對光電流有貢獻(xiàn)的電子空穴對即光生載流子與入射光子流的比值的電子空穴對即光生載流子與入射光子流的比值 ?Ip/ePoi/hve?R?Pohv1.24Ip?響響 應(yīng)應(yīng) 度度: 單位入射光功率產(chǎn)生的電

5、流單位入射光功率產(chǎn)生的電流. ?響應(yīng)時間響應(yīng)時間: 入射光照射到探測器上后，引起光電流產(chǎn)生所需要的入射光照射到探測器上后，引起光電流產(chǎn)生所需要的 時間。時間。 ?量子效率的帶寬積：量子效率和帶寬的乘積量子效率的帶寬積：量子效率和帶寬的乘積。 3.3.近紅外硅基探測器的發(fā)展近紅外硅基探測器的發(fā)展 鍵合技術(shù)鍵合技術(shù) 1995,InGaAs/InP鍵合在鍵合在Si上上,1.55um時外量時外量子效率子效率80%, -5V時暗電流為時暗電流為0.29nA Appl Phy Lett,1995,67(26)3936-3938 1.474um時時,半高寬半高寬12.5nm,量子量子效率效率44% 在硅上外

6、延在硅上外延Ge體材料體材料 P 600C Ge-1um 350C Ge Si sub 2006年年,1.55um響應(yīng)度響應(yīng)度0.2A/W 10V偏壓下暗電流偏壓下暗電流1.07uA，1.3um處響應(yīng)處響應(yīng)度為度為0.37A/W 1.54um響應(yīng)度響應(yīng)度0.73A/W, 帶寬帶寬6.7GHz GeSi量子阱和納米島探測器 5V偏壓下暗電流為偏壓下暗電流為12pA/um2,1.3um響應(yīng)響應(yīng)度為度為6.5mA/W,16V偏壓下，外量子效率偏壓下，外量子效率為為3.5 5V偏壓下暗電流為偏壓下暗電流為0.192pA/um2, 1.344um響應(yīng)度響應(yīng)度1.2mA/W 二.基本原理 ?Si Ge 的

7、性質(zhì)的性質(zhì) ?SiGe應(yīng)變材料的性質(zhì)應(yīng)變材料的性質(zhì) 1.Si Ge 的性質(zhì) 本征硅材料的長波吸收極限為1.1um，截止波長1.12um。用硅來實(shí)現(xiàn)1.3um 1.6um紅 外光的探測器。方法：能帶 改性（如鍵合技術(shù)），或者在硅中引入其它半導(dǎo)體材料。 Si Ge 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) Si 和Ge 都是間接帶隙半導(dǎo)體材料,都是金剛石結(jié)構(gòu)。具有相近的晶格常數(shù)(分別為0. 543 1 nm 和0. 565 8 nm) 和電子親和勢(分別為4. 00 eV 和4. 05 eV) 。 晶體結(jié)構(gòu)示意圖 導(dǎo)帶等能面示意圖 SiGe材料的性質(zhì)材料的性質(zhì) 臨界厚度臨界厚度 Si 和Ge 都是間接帶隙半導(dǎo)體材料, 具

8、有相近的晶格常數(shù)(分別為0. 543 1 nm 和0. 565 7 nm)晶格失配率晶格失配率 4.2。應(yīng)變Si1 - x Ge x 外延層中 的應(yīng)力將隨著層厚的增加而增大, 達(dá)到某一臨界值時應(yīng)力將驅(qū)動外延 層成島或產(chǎn)生位錯而獲得弛豫 2.應(yīng)變材料的性質(zhì) ?應(yīng)變對帶隙的影響 ?應(yīng)變對si導(dǎo)帶和價帶的影響 ?Si1-xGex/Si 異質(zhì)結(jié)兩種能帶結(jié)構(gòu) 2.1體材料 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) 應(yīng)變材料 Eg(x)=1.12-096x+0.43x2-017x3

9、 2.2應(yīng)變對si的影響導(dǎo)帶 ?2 is lowered with respect to the energy level of the four in-plane valleys ? 4 mt=0.19mo ml=0.98mo 應(yīng)變對si的影響價帶 2.3 Si1-xGex/Si 異質(zhì)結(jié)兩種能帶結(jié)構(gòu) Si1-xGex/Si 異質(zhì)結(jié) 根據(jù)生長條件的不同，可以得到兩種能帶結(jié)構(gòu)。分別為I 型和型排列。對于 型的發(fā)光研究，雖然取得了一定的成績，但突破不大，其主要原因是量子阱中導(dǎo)帶差太小，量子阱對電子的局域很弱，因而對電子的收集效率不高。 II型量子阱結(jié)構(gòu) Gex/Si型量子阱實(shí)現(xiàn)了對電子和空穴較強(qiáng)的

10、限制，但引入的新問題是電子和空穴的量子阱不在空間同一位置 。采用近鄰限制的(NCS)的II型量子阱結(jié)構(gòu) ，來實(shí)現(xiàn)對電子、空穴的有效的限制，由于在實(shí)空間它們不在同一位置，必須依靠隧穿效應(yīng)實(shí)現(xiàn)波函數(shù)的交疊而實(shí)現(xiàn)復(fù)合躍遷。 三.材料生長 ? ?表征 UHV-CVD主機(jī)（軸側(cè)視圖） 生長室 預(yù)處理室 進(jìn)樣室 手套箱操作室 Si 片外延基本步驟 ?1.Si片清洗： ? 號液 H2SO4+ H2O2 ，HF溶液漂洗(1:20)； ? 號液 NH3OH+H2O2 ， HF溶液漂洗(1:20); ? 號液 HCl+H2O2 ，吹干(普氮）。 2.樣品傳遞： 從手套箱進(jìn)； 直接從進(jìn)樣室進(jìn)。 3.樣品預(yù)處理室處理

11、 ?4.樣品生長室去除SiO2： ?5.材料生長 ?6.取片 反應(yīng)原理反應(yīng)原理 SiSi2 2H H6 6(g)(g) 2Si(s)+3H 2Si(s)+3H2 2(g) (g) SiSi2 2H H6 6(g)+2Si(s)2SiH(g)+2Si(s)2SiH3 3(s)+2Si(s) (s)+2Si(s) SiHSiH3 3(s) +Si(s) SiH(s) +Si(s) SiH2 2(s)+SiH(s) (s)+SiH(s) SiHSiH2 2(s)+Si(s) 2SiH(s)(s)+Si(s) 2SiH(s) 2SiH(s) 22SiH(s) 2SiSi(s)+H(s)+H2 2(g)

12、 (g) 2 2GeHGeH4 4(g)(g) H H2 2(g)+ 2GeH(g)+ 2GeH3 3 2GeH2GeH3 3 H H2 2(g)+ 2GeH(g)+ 2GeH2 2 2GeH2GeH2 2 H H2 2(g)+ 2GeH (g)+ 2GeH 2GeH2GeH H H2 2(g)+ 2(g)+ 2Ge Ge 外延生長的三種平衡生長模式外延生長的三種平衡生長模式 FVDM VW SK 生長模式的選擇依賴于：生長模式的選擇依賴于： 1 1、淀積原子之間和它們與襯底之間鍵的強(qiáng)弱、淀積原子之間和它們與襯底之間鍵的強(qiáng)弱 2 2、兩種材料的晶格失配、兩種材料的晶格失配 利用UHV-CVD

13、生長的多層量 子阱結(jié)構(gòu) 表征 ?X射線射線 ?厚度厚度 ?應(yīng)變應(yīng)變 ?組分組分 ?拉曼散射拉曼散射 ?應(yīng)變和應(yīng)力的測定應(yīng)變和應(yīng)力的測定 ?合金中組分合金中組分x的測定的測定 ?反射式高能電子電子衍射反射式高能電子電子衍射 一一. X射線衍射原理射線衍射原理 ? 基本原則：光程差為波長的整數(shù)倍基本原則：光程差為波長的整數(shù)倍 ? 理論依據(jù)：理論依據(jù)：Bragg方程方程 q q q q A q q d d d B O 光程差為波長的整倍數(shù)：光程差為波長的整倍數(shù)：2dsin?= n（n1） d 為晶面間距，為晶面間距，n為整數(shù)，一般為為整數(shù)，一般為1 1 測量SiGe單層厚度 ?原理原理： t sin

14、 B/ sin2B ：SiGe外延層干涉條紋間的角距離外延層干涉條紋間的角距離 ： x射線波長（射線波長（CuK1，Ge（004）單色器，）單色器，0.154nm） B： Si（004）的）的Bragg衍射角（衍射角（34.564） 結(jié)果分析：結(jié)果分析： Si0.91Ge0.09： 113，t0.17um （169.52.0nm） Si0.86Ge0.14： 167，t0.11um （108.32.0nm） 附圖：附圖： 2.2.應(yīng)變系數(shù)應(yīng)變系數(shù) ?d/dctg ： Bragg角角 ：SiGe外延層與硅襯底衍射峰之間的角距離外延層與硅襯底衍射峰之間的角距離 d： 襯底晶格常數(shù)襯底晶格常數(shù) d：

15、 外延層與硅襯底間的晶格常數(shù)差外延層與硅襯底間的晶格常數(shù)差 3.3.組分（組分（VegardVegard定律）定律） ?xd/dM / M dM： Ge與與Si的晶格常數(shù)差的晶格常數(shù)差 M：Ge與與Si衍射峰的角間距衍射峰的角間距 二.喇曼效應(yīng) 當(dāng)光照射到物質(zhì)上時會發(fā)生非彈性散射，散射光中除有與激發(fā)光波長相同的彈性成分（瑞利散射）外，還有比激發(fā)光波長長的和短的成分，后一現(xiàn)象統(tǒng)稱為喇曼效應(yīng)喇曼效應(yīng)。喇曼散射非常弱，大約為瑞利散射的千分之一。 由分子振動、固體中的光學(xué)聲子等元激發(fā)與激發(fā)光相互作用產(chǎn)生的非彈性散射稱為喇曼散射喇曼散射，瑞利線與喇曼線的波數(shù)差稱為喇曼位移。 拉曼光譜在SiGe/S i

16、材料表征中的應(yīng)用 ?由于Si，Ge對可見光不透明，因而拉曼散射譜通常采用背散射或近背散射裝置。 ?對于非極性晶體Si，Ge，縱，橫向光學(xué)聲子的能量在 點(diǎn)是簡并的，在拉曼譜中分別-1-1為520 cm 和301 cm 。 ?由于Ge的單聲子峰和Si的雙聲子峰具有相近的波數(shù)（300 cm-1 ），因此在分析拉曼譜時必須加以注意。 1. 應(yīng)變和應(yīng)力的測定 雙軸壓應(yīng)力導(dǎo)致光學(xué)聲子的附加平移，即合金層的拉曼峰位與同組分的體合金相對應(yīng)峰的峰位的差值，記為。其大小由下式給出： a.對于共度生長在Si （001）襯底上的 Si1-xGex 合金，1?w?(D1?+2 D2?) 2w0w0是無應(yīng)變時的聲子頻率，

17、 式中 為相關(guān)的形變勢， D1D2? 為共度生長的張應(yīng)變和壓應(yīng)變。 b.組分x wsi-si?31.8x在Si （001）襯底上共度生長的 Si1-xGex 合金由于應(yīng)變引起的拉曼峰的附加頻移公式如下： wsi-si?31.8x wsi-Ge=26.5x w? 16.9xGe-Gewsi-Ge=26.5x 實(shí)線表示完全應(yīng)變下三個合金峰的峰位，虛線表示應(yīng)變完全弛豫時（即無應(yīng)變Si1-xGex合金）的峰位，實(shí)線和虛線之間的區(qū)域表示部分弛豫。 C. 應(yīng)力測定 與應(yīng)變之間的關(guān)系為： ? ? b? 系數(shù)b一般是應(yīng)變和組分x的函數(shù)，對于SiGe模是一個與應(yīng)變和組分無關(guān)的常數(shù)。 2?1b=4.55X10cm 由實(shí)驗(yàn)可得到 ， 2 因此可進(jìn)一步得到 =4.55X10 d.對Si外延層中Si聲子峰的峰位偏移與應(yīng)力 之間-1） 8的關(guān)系為 （cm=2.5X10 (Pa)三 反射式高能電子電子衍射 RHEED （Reflection High Energy Electron Diffraction）