以应变SiGe层作为输运通道的横向PIN结构Ge量子点红外探测器研究

Ge quantum dot infrared photodetectors with strained SiGe layer are studied. The poor vertical transportation efficiency of light-excited carriers is the main reason why the vertical quantum dot infrared photodetectors have low responsivity. To further improve the transportation efficiency of light-excited carriers, strained SiGe quantum wells are embedded as transportation channel for light-excited carriers in the lateral PIN device. The parameters of the SiGe layers (such as Ge composition, thickness, distance between SiGe layer and Ge quantum dots) are changed to optimize the condition of Ge quantum dot growth by AFM and TEM analysis. The transportation efficiency of light-excited carriers in the SiGe layer is simulated by SILVACO ATLAS tools. The Ge composition and strain relaxation in Ge dots by a thermal annealing treatment at different conditions are characterized by DCXRD and Raman spectrum. The influence of thermal annealing on Ge quantum dots crystal quality is investigated to optimize the processing parameters.

本项目研究以应变SiGe层作为输运通道的横向PIN结构Ge量子点红外探测器。针对纵向结构Ge量子点探测器中光生载流子输运效率低的问题，采用横向PIN结构，并利用应变SiGe层作为光生载流子的横向输运通道，提高载流子输运效率，从而提高探测器的响应度。实验中，通过改变应变SiGe层的参数(应变SiGe层的Ge组分、厚度、应变SiGe层和量子点间的距离)，利用原子力显微镜(AFM)、透射电镜(TEM)等测试手段，研究Ge量子点在不同SiGe层作用下的生长规律。理论研究将以实验数据为基础，采用SILVACO公司的ATLAS 器件仿真软件，研究光生载流子在应变SiGe层中的输运机理。同时，还将采用双晶X射线衍射(DCXRD)、拉曼光谱(Raman)等手段表征在不同条件下热退火的Ge量子点材料的组分、应力等特性，研究探测器制作中的热退火工艺对Ge量子点材料特性的影响，得到优化的工艺参数。

随着光纤通信技术的发展，实现高性能的光电集成接收机芯片成为人们努力追求的目标。因此，如何实现易于与Si基集成的近红外波段的光电探测器成了一个关键问题。在Si基上生长Ge量子点材料，可以实现1.31µm和1.55µm处的光响应，与现有成熟的Si工艺完全兼容，成本低廉，是制备近红外探测器的理想材料。对于传统的纵向量子点探测器而言，当光生载流子在纵向上进行输运时，很容易被相邻量子点俘获和散射，输运效率大大降低，响应度很低。本项目从提高光生载流子的输运效率着手，研究光生载流子在横向进行输运的探测器。同时，为了进一步提高光生载流子的输运效率，我们在紧邻量子点的下方加入了应变SiGe层作为光生载流子的输运通道。本项目执行期间我们从以下三个方面进行研究，并取得了一些成果：（1）通过生长不同参数的量子点材料，利用AFM、TEM、DCXRD等手段对材料特性进行表征，优化设计材料结构参数（比如应变SiGe层的一些关键参数），制备了高质量的带有应变SiGe层的多层Ge量子点材料。（2）优化设计了横向探测器的器件结构和工艺流程步骤，确定了退火等关键工艺参数，得到了适用于制作该探测器的工艺流程。最后测得带有应变SiGe层的横向PIN结构量子点探测器在1.31μm和1.55μm处的响应度分别为7.87mA/W和0.12 mA/W。跟不带应变SiGe层的横向PIN结构量子点探测器相比，响应度分别提高了约18倍和11倍，取得了较好的效果。（3）对探测器的接口电路关键模块进行研究，设计了一款高精度的增量式Sigma-Delta ADC，最后该设计在SMIC 0.18µm工艺流片。实验测试得到信噪比SNR和有效位数ENOB分别为99.8dB、16.5bit，调制器功耗为228µW，品质因数FOM为4.1pJ/conv。在项目执行期间，共发表学术论文8篇（其中SCIE检索6篇），获取发明专利授权5项，参与境内外学术交流6次。