锗系合金半导体薄膜及光电探测器件研究

【摘要】：光电探测器是一种利用光电或光热效应将光能与电能相互转换的器件,被广泛应用于军用和民用领域。在过去的几十年里,Ⅳ族Si、Ge等材料在高速光通信、光电子集成等方面应用较广,且其具有成本低、易集成、工艺成熟等特点一直被研究者认为是红外探测器的优选材料,但Si、Ge属于间接带隙半导体,电子的跃迁需要额外声子参与,这就在一定程度上降低了光电器件的性能,使得其制成的光电探测器件的截止波长低于1.5μm。研究发现,Sn、Bi材料的掺入能调节Ge的带隙,将Ge从间接带隙变为直接带隙,从而使得Ge系薄膜有望能应用在中红外光电探测的研究中。本论文主要研究了两大锗系合金半导体薄膜即GeSn和GeBi薄膜,以及在薄膜基础上制备的光电探测器件。GeSn材料及其制备的光电探测器件已有初步的报道,经过前期的摸索和尝试,课题组利用已有的分子束外延设备可以制备较好的GeSn薄膜。而在GeBi材料的研究时,我们发现,Bi除了对Ge的带隙有影响外,对其性质也有一定的影响,如:可以将其自身改性为N型半导体材料。因此,本论文基于GeSn和GeBi材料,首先对薄膜进行了进一步的研究和优化,而后在此基础上制备PIN结构的光电探测器,全文主要工作和研究成果如下:(1)首先利用分子束外延技术制备高质量的GeSn和GeBi单晶薄膜,GeSn薄膜的Sn含量范围在6.46%～15.25%,最优表面粗糙度达1.253 nm,载流子浓度在10~(13)cm~(-3)～10~(16) cm~(-3)之间,最大载流子迁移率为1880.56 cm~2/V·s;GeBi薄膜Bi含量在3.76%～19.43%,最优表面粗糙度为1.639 nm,载流子浓度约为10~(15)cm~(-3),最大载流子迁移率为1110.09 cm~2/V·s。(2)制备了Si基PIN结构的光电探测器,以GeSn薄膜为本征层,以掺杂了硼的GeSn薄膜作为P型层,以GeBi薄膜作为N型层,调整优化制备工艺,确定了光刻、刻蚀等参数,图形化之后的薄膜利用磁控溅射进行电极的生长,并利用探针台进行I-V曲线等测试。(3)研究了硼掺杂时间、本征层厚度和Bi含量对制备的PIN结构的光电探测器的性能影响,对器件的暗电流和光电流做了详细的表征,并进行了结果分析。I-V曲线显示PN结对红外光有明显响应,将光源进行周期性开关,On-Off曲线显示器件光暗电流切换稳定,响应速度快,1 V正向偏压下暗电流强度范围在4.24×10~(-6) A～1.25×10~(-4) A,光暗电流比在80～385之间。