书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：GaAs光电探测器在薄锗硅虚拟衬底上
编号：JFKJ-21-
作者：华林科纳
本文希望可以扩展到可见光和近红外波段的其他ⅲ-ⅴ族高性能光电系统，使用硅锗模板生产砷化镓(GaAs)金属-半导体-金属(MSM)光电探测器,将这种方法扩展到其他ⅲ–ⅴ族和晶格失配系统，可能会在可见光和近红外波段实现高性能光电。硅上的ⅲ-ⅴ族材料单片集成也有望以高产率和产量降低成本，并进一步允许与主流互补金属氧化物半导体电子器件和硅光子学平台结合。像GaAs这样的ⅲ-ⅴ族材料比间接带隙硅更具光学活性。因此，GaAs和其他材料具有更高的光电探测性能。此外，创造高效光源——发光二极管和激光器—压倒性地要求使用直接带隙材料，其中最高度发达的是ⅲ-ⅴ类化合物半导体。
晶格失配和热膨胀参数影响了硅上ⅲ-ⅴ族材料的沉积。在他们的工作中，使用了一种锗层，这种锗层比通常用于硅和ⅲ-ⅴ族半导体之间桥接的约10微米渐变硅锗层薄得多。硅上锗模板或“虚拟衬底”由纳米射频等离子体增强化学气相沉积(PECVD)层组成()硅。GaAs来自金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺，涉及叔丁基胂(TBA)和三甲基镓(TMGa)前体。
在GaAs沉积之前，锗表面分别在℃和℃下烘烤5分钟和10分钟。这些热处理的目的是使从非极性锗过渡到极性GaAs，而不引入反相边界、位错和堆垛层错。研究人员将这种处理描述为“在开始GaAs沉积之前，增加双原子台阶密度、吸附锗天然氧化物和提高表面质量的一个重要步骤。”GaAs表面经过清洗，并在钝化前进行氧等离子体处理，钝化采用1–2纳米溅射氧化铝(Al2O3)，目标是获得高质量的肖特基接触。蒸发的铬和金被用作MSM光电探测器的金属触点。15纳米铬作为金触点的粘附层和种子层。
图1
在1V反向偏压下，Al2O3夹层将肖特基结中的泄漏降低了约20倍(图1)。对于1V偏压，Al2O3钝化的开/关电流比在左右。与没有Al2O3钝化的0.67eV相比，中间层还将肖特基势垒高度降低到0.62eV。中间层避免了由裸露表面GaAs缺陷态引起的严重费米能级钉扎。此外，氧化铝提高了光子收集效率。直径为30–米的器件的暗电流密度约为6mA/cm2。
图2
使用纳米单色激光测量光学响应(图2)。钝化和非钝化器件具有相似的响应特性。钝化装置在降低暗电流方面是优越的。在5V反向偏压下的响应度高达约0.54A/W。研究人员估计量子效率为85%。不同设备的响应变化范围在0.4到0.64瓦之间。研究人员将他们的响应与理论预期的0.41瓦进行了比较，理论预期是基于体GaAs吸收系数。在0.64瓦/瓦装置上的实验中测得的约1.55倍增强归因于该装置的非体GaAs体中吸收的增加。
在理论计算中，考虑了体GaAs的吸收系数。然而，在异质外延薄膜GaAs结构中，光学参数受到生长条件、层厚度和其下材料的显著影响。此外，锗在纳米是一种高吸收材料。特别是，指出x射线分析显示锗层和GaAs层是拉伸应变的。这种应变导致能量带隙减小，从而增加了对光的吸收。另外1.5%的提高归因于在/Ge界面反射的光。从光电流和暗电流响应中提取的探测率约为4.6×cm-Hz1/2/w。在1V反向偏压下，结电容约为fF。
小电容意味着器件的带宽受到器件上载流子传输时间的限制。该团队估计3dB带宽最高可达9千兆赫，1V偏置下约为4千兆赫。缩小器件尺寸可能会缩短响应时间，但减少光响应与减少有效面积之间存在权衡。透明电极可以改善这种折衷。