高性能硅基發(fā)光材料及硅MSM結(jié)構(gòu)光電探測器的研制.pdf

1、硅是目前世界上礦藏最豐富且微電子工藝最成熟的半導(dǎo)體材料，也是光電集成最理想的半導(dǎo)體材料。但是由于硅具有間接帶隙，躍遷幾率很低，引起硅的發(fā)光效率極低，并且發(fā)光不穩(wěn)定，因此硅基發(fā)光一直是硅光電集成中最重要的難題。另外，為實現(xiàn)全硅光電集成，硅探測器在光互連，大容量通訊等領(lǐng)域中具有深遠的應(yīng)用前景。硅MSM結(jié)構(gòu)光電探測器工藝簡單，與CMOS等工藝兼容，是硅光電集成研究的一個熱點。但是，由于硅本身對光的吸收系數(shù)比較低引起對光的吸收長度較長，從而引起

2、硅MSM結(jié)構(gòu)光電探測器響應(yīng)速率和響應(yīng)度不高。 本文針對以上兩個問題進行了研究，并為硅基光電單片集成做準備工作： 一.多孔硅發(fā)光的制備和鈍化研究。硅的發(fā)光效率低及不穩(wěn)定是限制硅基發(fā)光的關(guān)鍵瓶頸，本文提出一種新穎的臭氧(O3)環(huán)境制備和鈍化方法來改善多孔硅的發(fā)光效率，取得以下重要結(jié)果： 1.該方法制備的多孔硅比傳統(tǒng)方法制備的多孔硅發(fā)光強度增大了近一個數(shù)量級； 2.對O3環(huán)境下制備和鈍化的多孔硅的發(fā)光穩(wěn)定性進行

3、了兩方面的研究。一方面對樣品進行高功率激光持續(xù)照射30分鐘的PL演變測試，發(fā)現(xiàn)不管是新鮮樣品還是自然環(huán)境中存放129天的樣品，持續(xù)的激光照射只引起很小量的PL強度衰減然后就基本維持穩(wěn)定狀態(tài)；另一方面對樣品進行存放158天跟蹤測試，發(fā)現(xiàn)在開始存放的61天內(nèi)，發(fā)光強度不斷增強，61天之后，發(fā)光強度則基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。兩方面的穩(wěn)定性研究與前人的實驗報道具有更好的發(fā)光穩(wěn)定性效果。 3.通過XPS，PL，F(xiàn)TIR等測試表明臭氧環(huán)境下制備的

4、樣品表面的鈍化膜比較致密，氧化程度比較高，并且樣品表面的化學(xué)成分基本穩(wěn)定，這是樣品發(fā)光強度和穩(wěn)定性改善的原因。 二.硅MSM光電探測器的制備。為提高硅MSM光電探測器的響應(yīng)度和響應(yīng)速度，本文以實驗室現(xiàn)有條件為基礎(chǔ)，進行了下列工作： 1.設(shè)計了平版和凹槽兩種電極結(jié)構(gòu)以及5-5um和5-10um兩種尺寸的硅MSM結(jié)構(gòu)探測器； 2.在本實驗室內(nèi)，完成了版圖制備，整套半導(dǎo)體器件工藝流程，以及器件封裝測試等工作；

5、3.器件性能測試發(fā)現(xiàn)凹槽電極結(jié)構(gòu)的探測器比平版型探測器在響應(yīng)度方面提高了約6倍，5V偏壓下，凹槽電極結(jié)構(gòu)的探測器對650nm波長激光的光電響應(yīng)度可達到0.486A/W，內(nèi)量子效率達到了92.9％； 4.針對所制備的探測器暗電流偏大問題，我們也對其進行了分析討論。 本文的主要創(chuàng)新點有： 1.所采用的O3環(huán)境制備和鈍化多孔硅方法未見報道。該法具有制備簡單，室溫鈍化的特點，且提高多孔硅發(fā)光強度和發(fā)光穩(wěn)定性方面具有比國內(nèi)