论文部分内容阅读
随着高密度、大容量数据传输和运算的发展，将光电子与微电子集成在一个芯片上的优势越来越明显、需求越来越迫切。以SOI(silicon-on-insulator)材料为平台的硅基光电子集成是当今光电子领域研究的一个亮点，特别是SOI光波导技术与CMOS(complementarymetaloxidesemiconductor)工艺完全兼容，更是获得了广泛的关注。探测器是光电集成中重点研究的器件之一。由于受到硅禁带宽度(1.1eV)的限制，传统的硅p-n型或p-i-n型探测器无法应用在1300～1550nm的近红外通信波段。本文研究了用于硅中深能级吸收的硒原子过饱和掺杂硅材料，并在此基础上设计、制备了用于1550nm波段的全硅SOI脊型波导探测器。 本文中利用硒离子注入及热退火的方法，制备了高浓度硒掺杂的硅材料，其掺杂浓度远远超过了硒原子在硅中的固溶度。分析了离子注入后不同退火条件对材料特性影响：利用二次离子质谱仪(SIMS)测试了硅材料中硒元素浓度分布；通过卢瑟福背散射(RBS)测试了硒杂质在硅中的替位浓度；通过变温霍尔(Hall)测试分析了材料的载流子浓度、电阻率随温度的变化等电学特性；通过紫外-可见光-近红外分光光度计测试了材料的光吸收特性。通过对测试结果的一系列分析推测了硅中的存在Mott绝缘体-金属转变及杂质中间带的可能性。 本文中分析了基于深能级吸收的光电转换机理，通过硅离子自注入向硅中引入晶格缺陷产生缺陷深能级的方法，制备了与COMS工艺完全兼容的用于1550nm通信波段的SOI脊型波导探测器。摸索了利用湿法腐蚀制备SOI梯形截面脊型光波导的方法及探测器制备的工艺流程。探测器在5V的反向偏置电压下，在1550nm波段获得了38mA/W的响应度。 进一步，为了克服硅离子注入引入缺陷深能级的不稳定性，本文中利用硒离子注入引入杂质深能级代替硅离子自注入的缺陷深能级来实现基于深能级吸收的光电转换。由于硒离子掺杂区为n型，通过离子注入控制硒离子及硼离子在硅中的掺杂深度，在波导上形成了纵向分布的p-n结构。我们利用标准COMS工艺制备了基于硒掺杂的用于1550nm通信波段的SOI脊型波导探测器。探测器在3V的反向偏置电压下，在1550nm波段的响应度为25mA/W。