高性能硅基锗光电探测器的研制

<p style="text-justify: inter-ideograph; text-indent: 24pt; line-height: 150%; text-align: justify">在信息产业、生物医学等科技领域越来越受关注的今天，新型光电子、光通信科技必将以更快的速度发展。Si基光电子集成采用成熟价廉的微电子加工工艺，将光学器件与多种功能的微电子电路集成，是实现光通信普及发展和光互连的有效途径。Si基光电探测器是Si基光通信系统的关键器件之一。随着近年来Si基Ge材料外延技术的突破性进展，Si基Ge光电探测器因为兼顾了Si基光电子集成和对光通讯波段(1.31和1.55μm)的高效探测，成为了当今研究的一大热点。<span style="font-family: 'Times New Roman','serif'"><br />    </span>半导体光电探测器的性能与其结构密切相关。PIN型光电探测器是最常见的探测器，可以普遍应用于光通讯光互连系统；雪崩光电二极管(APD)因为具有较高的响应度和内部增益，在实现单光子探测方面具备很大的优越性，适用于当今迅猛发展的生物光子学和量子信息学；共振腔增强型的光电探测器(RCE-PD)，集波长选择器、高速光信号接收器于一体，而且具备共振增强作用、高饱和功率输出等特点，是局域网、光纤入户和现代波分复用(Wavelength-Division Multiplexing,WDM)系统光通信网络的一种优选方案；波导结构探测器(Waveguide-PD)可以解除探测器的响应带宽和量子效率之间的矛盾，而且其结构特点更易于实现与调制器等光波导器件的集成，是片上光互连的首选探测器。<span style="font-family: 'Times New Roman','serif'"><br />    </span>本论文围绕高性能Si基Ge光电探测器这一研究目标，开展了多种结构的光电探测器的研制，包括PIN型PD的研制及其优化、吸收区与倍增区分离结构(SACM)的Ge-on-Si APD、RCE-PD和Waveguide-PD，主要研究结果如下：</p><p>1.                成功研制了PIN型Ge-on-Si光电探测器，器件在-1V外加偏压下暗电流密度为46.6mA/cm2，在1.31μm和1.55μm波长下器件的量子效率分别为40%和17%；然后改进了实验方法，在制作器件之前将Ge-on-Si材料在850℃条件下快速退火1分钟，从而改善材料质量，器件的暗电流密度降低至4mA/cm2，这是目前国际上报道的最好结果之一。</p><p>2.                研制出了PIN型Ge-on-SOI光电探测器，在1.31μm和1.55μm波长的量子效率分别为62%和25%。在-3V外加偏压下，器件的3dB带宽为12.6GHz。25μm直径器件，3dB带宽更是达到了13.4GHz。同时，制作了均匀性很好的1×4探测器阵列，单个器件的3dB带宽达13.3GHz。</p><p>3.                在国际上首次研究了硅基锗光电探测器的高饱和特性。在-1V和-2V外加偏压下，探测器的1-dB小信号压缩电流分别为22mA和40mA,相应的光功率分别为67.5mW和110.5mW。</p><p>4.                成功研制了吸收区和倍增区分离的Si基Ge雪崩光电二极管，器件的穿通电压Vpt约为29V，击穿电压Vbd(暗电流等于100μA时的电压)为39.5V。在击穿电压附近，如39V时，SACM-Ge-on-Si APD的增益为40。</p><p>5.                解决了背面ICP深刻蚀工艺难题，成功制备了中心波长在1.55μm，量子效应高达62%的共振腔增强型Si基Ge光电探测器。</p>提出一种横向波导型结构Ge-on-SOI光电探测器结构，并对该结构探测器进行了理论计算。