傳統(tǒng)平面入射型硅基探測器由于近紅外吸收系數(shù)低,存在響應(yīng)速度和探測效率的沖突,被認(rèn)為不適用于短距離光纖通信領(lǐng)域。微納結(jié)構(gòu)可有效提高等效光程,使入射光被吸收層充分吸收,提高光電器件的量子效率,廣泛應(yīng)用于太陽電池、近紅外增強(qiáng)探測器等領(lǐng)域。近期,研究者基于陷光微結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)20 Gb/s以上、與CMOS工藝兼容的硅基高速探測器,展現(xiàn)出了廣闊的發(fā)展前景。文章對微納結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、制備方法、基于微納結(jié)構(gòu)的硅基高速探測器的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述和分析。 

【文章來源】：半導(dǎo)體光電. 2020,41(03)北大核心

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

基于微納結(jié)構(gòu)的硅基高速探測器結(jié)構(gòu)示意圖

Gao等人[5]設(shè)計(jì)并制作了基于貫穿型微納陷光結(jié)構(gòu)的高速高響應(yīng)硅基探測器。該探測器采用臺面pin基本結(jié)構(gòu)，光敏面直徑為30μm，吸收區(qū)厚度約為2μm。光敏面通過干法刻蝕制備了貫穿整個吸收層的圓孔或漏斗型微納孔陣列。微納孔的直徑范圍為600～1 700nm，周期為900～2 000nm，排列方式為方形排列或六邊形排列。該探測器的結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖2所示。通過FDTD(Finite-Different Time-Domain）分析可以看出，入射光經(jīng)過微納孔形成了橫向傳播的分量，在底部形成全反射，使光波盡可能地停留在吸收層。微納孔陣列的周期對于橫向分量的大小至關(guān)重要，當(dāng)周期p小于波長λ時(shí)，橫向分量可以趨近于零[16,43]。當(dāng)p>λ時(shí)，橫向分量大于縱向分量，使得光波能夠從孔中進(jìn)入硅材料從而被完全吸收。此外，漏斗型比圓柱型表現(xiàn)出更高的吸收率，且對波長更不敏感，增強(qiáng)響應(yīng)的波段更寬。

Zang等人[44]設(shè)計(jì)并制備了基于倒金字塔型微納結(jié)構(gòu)陣列的單光子蓋革模式雪崩二極管探測器（SPAD）。該器件采用常見的臺面結(jié)構(gòu)，總厚度為2.5μm，通過外延方法在SOI基片上制備而成。光敏面上通過以低溫氧化硅為硬掩模，濕法腐蝕制備了周期為850nm，深度為600nm的倒金字塔微納結(jié)構(gòu)陣列。該探測器的結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖3所示。值得一提的是，該SPAD器件的頂部n+重?fù)诫s層的厚度設(shè)計(jì)為0.6μm，以便完整地容納表面微納結(jié)構(gòu)，降低對器件中高電場耗盡區(qū)的影響。這一厚度是Gao等人基于貫穿型微納結(jié)構(gòu)的探測器n+層厚度的2倍。過厚的n+層使得吸收深度較淺的短波光子所產(chǎn)生的載流子難以渡越n+層形成有效的光電流輸出。因此，該SPAD探測器在400nm波長的量子效率僅為50%左右。


本文編號：3316095