硅基Ge微區(qū)結(jié)構(gòu)制備及Ge橫向PIN探測(cè)器工藝研究.pdf

1、硅基光電探測(cè)器是硅基光電子技術(shù)重要的組成部分。近年來(lái)，鍺(Ge)材料由于在近紅外波段吸收系數(shù)高，空穴載流子遷移率大且能與硅基工藝兼容等特性在硅基探測(cè)器領(lǐng)域備受關(guān)注。為進(jìn)一步提高光電特性，需要在Ge層中引入張應(yīng)變，而張應(yīng)變的引入可以通過(guò)微區(qū)結(jié)構(gòu)來(lái)得到?；诠杌鵊e外延材料，構(gòu)造Ge微區(qū)結(jié)構(gòu)的腐蝕過(guò)程一般只對(duì)Si材料的腐蝕速率有過(guò)研究，而對(duì)材料中存在的大量位錯(cuò)對(duì)結(jié)構(gòu)制備影響的分析卻并未開(kāi)展。因此，研究腐蝕液中硅基Ge樣品位錯(cuò)的影響，提高Ge

2、微區(qū)結(jié)構(gòu)應(yīng)變，對(duì)提高Ge光電探測(cè)器性能有著重要的意義。
　　本文對(duì)硅基Ge外延材料中鍺硅位錯(cuò)密集區(qū)在TMAH溶液中產(chǎn)生的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對(duì)SOI基Ge橫向PIN探測(cè)器進(jìn)行了器件性能優(yōu)化模擬和制備工藝摸索。主要工作內(nèi)容如下:
　　1.在利用TMAH溶液腐蝕Si構(gòu)造硅基Ge懸空結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，研究了材料中位錯(cuò)對(duì)腐蝕進(jìn)程的影響。以25％濃度的TMAH（四甲基氫氧化銨）溶液在80℃長(zhǎng)時(shí)間(10h)腐蝕Si材料，發(fā)現(xiàn)其腐蝕速率非常

3、穩(wěn)定，但在硅基Ge外延樣品表面上產(chǎn)生了倒金字塔形狀的位錯(cuò)腐蝕坑。在位錯(cuò)密集的硅鍺界面，也會(huì)產(chǎn)生大小、形貌不同甚至穿透的位錯(cuò)腐蝕坑。根據(jù)腐蝕坑的側(cè)向晶面變化，可以將上述腐蝕過(guò)程分為三個(gè)發(fā)展階段，并運(yùn)用Wulff-Jaccodine規(guī)則對(duì)位錯(cuò)坑的演變機(jī)理進(jìn)行了解釋。
　　2.基于懸空式硅基Ge微區(qū)結(jié)構(gòu)，利用ANSYS有限元分析軟件分析了引入張應(yīng)變的原理。分析顯示Ge層應(yīng)變大小由中心向邊緣逐漸增大，邊緣區(qū)域的應(yīng)變最大達(dá)到1.9％。對(duì)實(shí)際

4、制備的Ge/Si雙薄層懸空結(jié)構(gòu)背面濺射應(yīng)力源層鎢(W)后發(fā)現(xiàn)，Ge層應(yīng)變隨著其面積的增加而增加，但所能獲得應(yīng)變最大僅為0.3％，這是由于位錯(cuò)坑的存在會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力的釋放和轉(zhuǎn)移。
　　3.采用器件仿真軟件模擬并優(yōu)化了SOI基垂直入射型Ge橫向PIN探測(cè)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。優(yōu)化結(jié)果如下:器件有源區(qū)長(zhǎng)度設(shè)定為2μm、10μm和20μm，寬度定為0.6-0.8μm，器件Ge層厚度為0.8μm左右。對(duì)于Ge層寬度為0.7μm，長(zhǎng)度為2μm，厚度為0.

5、85μm的器件，在偏壓為-1 V波長(zhǎng)為1550 nm條件下響應(yīng)度為0.26 A/W（光強(qiáng)為1 W/cm2），暗電流密度為71.4 mA/cm2，3dB帶寬可達(dá)41.4 GHz。
　　4.基于上述探測(cè)器基本結(jié)構(gòu)，研究了該器件制備中的關(guān)鍵性工藝。主要包括:器件有源區(qū)域的窄線條工藝研究，在經(jīng)過(guò)光刻、刻蝕獲得2.5μm寬度的有源區(qū)后，再采用濕法腐蝕Ge溶液將器件有源區(qū)寬度進(jìn)一步減至1μm;對(duì)側(cè)向離子注入進(jìn)行工藝模擬，確定P區(qū)及N區(qū)離子注入