摘要
硅基锗光电探测器是在硅基光电子集成电路中使用最广泛的光探测器件，但是由于锗的带隙限制，传统探测器越来越难以满足飞速发展的生物、军事、虚拟现实等领域对不同波长探测的需求，如何扩展探测范围成为亟待解决的问题之一。近年来我国对半导体能带工程方面的研究非常支持，本文与相关知识及现有研究结合，主要围绕硅基近红外光电探测器的探测波长扩展这一目标展开。论文主要完成了以下研究工作： 在锗中掺入不同组分的锡用以调节锗锡合金的带隙，达到探测范围扩展的目的，目前波导型锗锡探测器尚未见报道。本论文对波导型锗锡光电探测器进行了仿真，使用时域有限差分法(FDTD)进行了光传播的分析，讨论了锗锡组分、尺寸和结构对器件光学和电学性能的影响，并分为有、无锗缓冲层的倏逝波耦合结构及对接耦合结构三部分讨论了仿真结果。 仿真结果表明，在倏逝波耦合结构中，仅掺入2.5%的锡就可以将纯锗对U波段光的吸收从16%提升到88.7%，随着锡组分的提升，吸收率也进一步提升。去除锗缓冲层的锗锡光电探测器的仿真中，吸收远好于有缓冲层时，仅需10μm就可以达到90%的吸收。对接耦合结构的锗锡光电探测器具有更好的耦合效率，采用了横向掺杂，并且避免了金属与吸收区接触而导致光损耗的情况，但仍需探索如何进一步实现本征区宽度的减小。 此外，论文还建立了氮化硅薄膜致锗波导应变模型，对拉应变锗扩展探测波长的方法进行了探索。通过对结构的筛选和尺寸的调整，最终选定了宽度2.5-3μm，氮化硅厚度200-400nm，锗厚度200nm，器件长度5-10μm为合理的结构设置，中心应变和上层应变分别可以达到0.35%，0.39%。 论文对应变锗带隙，吸收系数和消光系数也进行了计算，通过光学仿真得出了室温和低温下的光吸收总量。在室温下，最佳结果的总吸收为84.6%，接下来计算了-10℃和-30℃低温下的带隙并进行了光学仿真，吸收仍然可以达到80%以上。为探究初始应变的引入情况，本论文也对实际材料生长做了一些探索，论文采用了低温法和低温-高温法两种方法进行了外延生长，结果表明低温-高温法可以制备出高质量，表面平整的锗材料，并成功引入了0.17%的初始应变，能够对未来的流片工作提供支持。
NETL