絕緣層上Ge(GOI)材料及Si基Ge波導(dǎo)型探測器研究.pdf

1、絕緣層上鍺（Germanium-on-Insulator,GOI）由于結(jié)合了Ge材料及SOI材料各自的優(yōu)點(diǎn)，是近年來興起的、極具吸引力的Si基新型材料。GOI材料不僅具有高的電子和空穴遷移率，在通信波段有較高吸收系數(shù)，同時(shí)能夠很好地解決體Ge材料在器件中的不足，從而在微電子和光電集成方面具有廣闊的應(yīng)用前景?；贕OI材料的波導(dǎo)型探測器，由于集合了GOI的優(yōu)良特性及波導(dǎo)型結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高量子效率和高帶寬，從而有效提高探測器性能。

2、因此，開展GOI材料的制備及Ge波導(dǎo)型探測器的研制工作具有重要的意義。本文利用智能剝離技術(shù)結(jié)合鍵合方法制備了GOI材料，研究其材料特性，并開展了Si基Ge波導(dǎo)型探測器關(guān)鍵制備工藝的研究，論文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1、利用RSoft軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)的Ge波導(dǎo)型探測器進(jìn)行模擬優(yōu)化。模擬結(jié)果表明，端面耦合結(jié)構(gòu)可以有效地縮短探測器的吸收長度，但所需SOI波導(dǎo)截面面積小，光纖與波導(dǎo)的耦合損耗較為嚴(yán)重;基于實(shí)驗(yàn)室工藝條件，我們?cè)O(shè)計(jì)了混合

3、型耦合結(jié)構(gòu)的Ge波導(dǎo)探測器，在考慮光纖與波導(dǎo)耦合損耗的情況下，當(dāng)Ge層厚度為0.99μm，器件長度為100μm時(shí)可吸收80％的光，理論帶寬為25GHz。
　　2、系統(tǒng)研究了氫離子注入功率密度對(duì)Ge晶格應(yīng)變、內(nèi)部徽結(jié)構(gòu)變化及剝離質(zhì)量的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)注入功率密度較小時(shí)，Ge晶格存在應(yīng)變，得到了應(yīng)變隨深度的分布，該分布與H離子在Ge中的濃度有著密切的關(guān)系;隨著注入功率密度變大，由于注入過程的自加熱效應(yīng)顯著，使得由氫離子注入引起的應(yīng)變逐漸弛

4、豫，晶體內(nèi)部出現(xiàn)馬賽克結(jié)構(gòu)，而且注入?yún)^(qū)的H小平面也已擴(kuò)展成為nano裂紋，甚至微腔，這些都將導(dǎo)致注入樣品在退火后無法成功實(shí)現(xiàn)剝離。
　　3、優(yōu)化了Ge片注H后的剝離溫度。當(dāng)退火溫度為400～500℃時(shí)，注入樣品能夠?qū)崿F(xiàn)完整剝離，而溫度過高時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)局部剝離的表面形貌;對(duì)此，我們提出了厚Ge薄膜在不同熱處理?xiàng)l件下的剝離模型，在較低溫度下退火，裂紋易于沿橫向傳播，當(dāng)溫度過高，H離子的擴(kuò)散加劇，促使裂紋在豎直方向上擴(kuò)展，從而形成氣泡和

5、局部脫落的表面形貌。
　　4、系統(tǒng)研究了Ge與SiO2/Si材料的鍵合機(jī)理，并結(jié)合智能剝離技術(shù)制備了GOI材料，研究了GOI的材料性質(zhì)。對(duì)鍵合前樣品的表面處理、鍵合溫度及鍵合過程所施加的壓力等鍵合條件進(jìn)行優(yōu)化，得到了高鍵合強(qiáng)度的GOI材料;原始GOI經(jīng)過真空環(huán)境下500℃退火能有效改善晶體質(zhì)量，測得的X射線衍射Ge(004)峰半高寬僅為72.6arcsec，而且殘余壓應(yīng)變也完全釋放;提出了三步拋光法，成功將GOI表面粗糙度降低至0

6、.15nm;通過霍爾效應(yīng)及Pseudo-MOSFET測試，測得GOI頂層Ge的空穴遷移率為775cm2/V·s，Ge和SiO2界面處的界面態(tài)密度約為7×1012cm-2·eV-1，界面溝道電子遷移率為56cm2/V·s。
　　5、分析了磷離子注入Ge中的擴(kuò)散及激活情況。證實(shí)離子注入損傷對(duì)磷在Ge中的擴(kuò)散存在擴(kuò)散增強(qiáng)效應(yīng)，提出了離子注入損傷和高摻雜濃度共同作用下的擴(kuò)散模型;P注入Ge襯底片后經(jīng)快速熱退火650℃15s，可以獲得良好的

7、n+/p-Ge結(jié)，而在外延Ge中由于Ge/Si界面處的缺陷密度較高，導(dǎo)致退火后P離子在Ge中的尾部擴(kuò)散嚴(yán)重;P注入后在650℃下進(jìn)行退火，能有效地消除注入損傷及激活P離子，得到激活P離子濃度為1.5～3.5×1019cm-3。
　　6、研究了Si基Ge波導(dǎo)型探測器的關(guān)鍵制備工藝。通過對(duì)Al和高摻n型Ge合金化條件的研究，獲得了理想的歐姆接觸特性，測得比接觸電阻率為1.25×10-5Ω·cm2;優(yōu)化Si和Ge材料的刻蝕工藝，得到表面