WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 10 Волноводные Ge / Si-фотодиоды со встроенными слоями квантовых точек Ge для волоконно-оптических линий связи ¶ © А.И. Якимов, А.В. Двуреченский, В.В. Кириенко, Н.П. Степина, А.И. Никифоров, В.В. Ульянов, С.В. Чайковский, В.А. Володин, М.Д. Ефремов, М.С. Сексенбаев, Т.С. Шамирзаев, К.С. Журавлев Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 3 февраля 2004 г. Принята к печати 11 февраля 2004 г.) Сообщаются результаты исследований, направленных на создание высокоэффективных фотоприемников на основе гетероструктур Ge / Si для применения в волоконно-оптических линиях связи. Фотоприемники выполнены в виде вертикальных p-i-n-диодов на подложках кремний-на-изоляторе в сочетании с волноводной латеральной геометрией и содержат слои квантовых точек Ge. Слоевая плотность квантовых точек составляет 1 · 1012 см-2, размеры точек в плоскости роста 8 нм. Достигнута наибольшая из известных в литературе для Ge / Si-фотодиодов с квантовыми точками величина квантовой эффективности в диапазоне телекоммуникационных длин волн, которая при засветке со стороны торца волноводов составила 21% на длине волны 1.3 мкм и 16% на длине волны 1.55 мкм.

1. Введение интегральной схеме [1]. Однако сам кремний прозрачен для фотонов с длиной волны больше 1.1 мкм. Достаточно Одним из важнейших направлений развития перспеквысокой чувствительностью в области длины волны тивных способов передачи информации в телевизионных 1.5 мкм обладают германиевые ФП. В связи с этим и телефонных сетях, Интернете, оптических компьютевозникает проблема создания гетероструктур Ge / Si, рах является разработка волоконно-оптических линий фоточувствительных при комнатной температуре в диасвязи (ВОЛС). ВОЛС содержат передающее устрой- пазоне телекоммуникационных длин волн 1.3-1.55 мкм.

ство, приемное устройство, коммутационные элементы С точки зрения перспективы встраивания гетеропеи волоконные световоды. В передающем устройстве реходов Ge / Si в кремниевую идеологию СБИС, поэлектрические сигналы через электронную схему управ- видимому, наиболее интересными являются гетероления поступают на полупроводниковый излучатель (ла- структуры Ge / Si с когерентно введенными нанокластезер или светодиод) и преобразуются в нем в оптиче- рами Ge (квантовыми точками), поскольку в них есть ские сигналы, которые в виде оптического излучения возможность заращивания упругонапряженных германивводятся через устройства согласования в волоконный евых слоев совершенными по структуре слоями Si, на световод и распространяются по нему до необходимого которых затем можно формировать и другие элементы адресата. Фотоприемное устройство (ФП) осуществляет СБИС. Кроме того, именно на основе такой системы уже детектирование излучения, преобразование оптических изоготовлены светодиоды, излучающие при комнатной сигналов в электрические и их последующее усиление.

температуре в диапазоне длин волн 1.3-1.55 мкм и Материалом для световодов в ВОЛС преимуществен- обладающие квантовым выходом на уровне 0.015% [2].

но служит кварц. Типичный спектр поглощения высо- Первоначально фотодиоды Ge / Si с квантовыми точкакочистого кварца характеризуется наличием трех окон ми Ge проектировались для нормального падения света, прозрачности вблизи длин волн 0.85, 1.3 и 1.55 мкм.

когда засветка осуществлялась со стороны плоскости В этом же диапазоне находится и ближнее окно про- p-n-перехода [3,4]. Были получены значения квантовой пускания атмосферы. В настоящее время принято, что эффективности = 3-8% для = 1.3-1.46 мкм. Увелиактуальным для применения в ВОЛС диапазоном длин чение квантовой эффективности может быть достигнуто волн излучения является ближняя инфракрасная (ИК) за счет реализации волноводной структуры фотодетекобласть 1.3-1.55 мкм.

тора, использующей эффект многократного внутреннего Широкое распространение ВОЛС затрудняется высо- отражения света от стенок волновода. Поскольку оптикой стоимостью оптических приемопередатчиков, функ- ческие лучи должны распространяться вдоль плоскости ционирующих в ближней ИК области спектра. Ожидает- интегральной схемы, на которой собраны все необхося, что переход на совместимую с кремнием технологию димые элементы ВОЛС [1], такая конструкция прибора для изготовления фотонных элементов ВОЛС будет удачно сочетается с требованием возможности засветки сопровождаться значительным снижением стоимости та- детектора со стороны его торца. О создании волноводких элементов, что приведет к монолитной интегра- ных фотодетекторов на основе гетероструктур Ge / Si с ции всех компонентов, включающих элементы радио- когерентно введенными наноостровками Ge сообщалось усилительной и смещающей электроники, на простой, в работах [5,6]. Максимальная квантовая эффективность надежной и легко воспроизводимой оптоэлектронной на длине волны = 1.3 мкм составила = 5.3% для кон¶ фигурации ФП в виде p-i-n-диода [5] и = 9.5% для E-mail: yakimov@isp.nsc.ru Fax: (3832) 332771 биполярного n-p-n-фототранзистора [6]. Следует отме8 1266 А.И. Якимов, А.В. Двуреченский, В.В. Кириенко, Н.П. Степина, А.И. Никифоров, В.В. Ульянов...

тить, что в работах [5,6] слоевая плотность островков Ge составляла величину 1 · 1011 см-2 и менее. Очевидно, что дальнейшего повышения квантовой эффективности фотопреобразования в таких структурах можно достичь, увеличив плотность нанокластеров Ge. Цель нашей работы заключалась в создании волноводного фотодетектора Ge / Si, содержащего массивы квантовых точек Ge со слоевой плотностью на уровне 1012 см-2, обладающего высокой чувствительностью в телекоммуникационном диапазоне длин волн.

2. Технологический процесс изготовления фотоприемников Рис. 2. Распределение примесей бора и сурьмы по толщине эпитаксиального слоя, начиная от поверхности, полученное с Фотодетекторы представляли собой кремниевые помощью вторичной ионной масс-спектрометрии.

p-i-n-диоды со встроенными в базовую область 36 слоями островков Ge, разделенными промежутками Si толщиной 30 нм. Один и тот же прибор сочетал в себе и вертикальный фотодиод, и латеральный волновод (рис. 1).

преломления Si и SiO2 достаточно велика и составляет 2.

Для увеличения плотности островки германия формиЭто обстоятельство и позволяет добиться эффективной ровались с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии пространственной фокусировки луча света, распростра(МЛЭ) в режиме роста Фольмера–Вебера на предвариняющегося по волноводу вдоль плоскости подложки.

тельно окисленной поверхности кремния [7]. Ранее нами Температура роста слоев как Si, так и Ge составлябыло показано, что такая процедура позволяет получать ла 500C. Скорость роста поддерживалась на уровне слои нанокластеров Ge, когерентно сопряженных с Si и 0.3 нм / с для Si и 0.03 нм / с для Ge. Вначале после характеризующихся слоевой плотностью до 1012 см-2 и стандартной процедуры очистки поверхности КНИ выразмерами менее 10 нм [4,7,8].

ращивался слой p+-Si толщиной 500 нм, легированный В качестве подложек для изготовления фотодетекбором до концентрации 1 · 1018 см-3, затем осаждался торов использовались пластины кремний-на-изоляторе буферный слой намеренно не легированного Si толщи(КНИ), приготовленные по технологии SMART CUT ной 100 нм. После этого в камеру роста подавался кис(производство Wafer World, Inc.). Толщина отсеченного лород, и при давлении кислорода 10-4 Па проводилась кремниевого слоя КНИ структуры составляла 280 нм, процедура окисления поверхности Si в течение 10 мин толщина захороненного окисла — 380 нм. Ориентация при температуре подложки 500C. При этом формироповерхности верхнего слоя кремния (100). Перед провался слой SiOx толщиной несколько ангстрем. Затем цессом МЛЭ кремнеиевый слой утоньшался до 250 нм осуществлялись откачка кислорода до давления в камес помощью термического окисления и последующере 10-7 Па, осаждение Ge с толщиной покрытия 0.5 нм и го удаления окисла в растворе плавиковой кислоты.

заращивание германия слоем кремния толщиной 30 нм.

Дифракционная картина, полученная от поверхности Перед заращиванием германия кремнием проводилось кремниевого слоя, свидетельствовала о высоком крикратковременное (на 2 мин) повышение температуры обсталлическом совершенстве рабочего слоя пластин КНИ разца до 600C. Такой отжиг необходим для дальнейшеи его пригодности для проведения эпитаксиального го роста бездефектных слоев Si. Последние четыре пророста. В ближнем ИК диапазоне разность показателей цедуры (окисление, осаждение 0.5 нм Ge, 2-минутный отжиг при 600C и нанесение 20 нм Si) повторялись последовательно 36 раз. Многослойная структура Ge / Si закрывалась Si толщиной 100 нм. Концентрация фоновой примеси бора в слоях намеренно не легированного Si составляла 3 · 1016 см-3. Формирование p-i-n-диода завершалось ростом 300 нм n+-Si (концентрация Sb в слое 4 · 1018 см-3). Профили распределения бора и сурьмы в структуре, полученные с помощью вторичной ионной масс-спектрометрии, приведены на рис. 2.

Поверхность выращенных слоев Ge контролировалась с помощью сканирующей туннельной микроскопии.

Статистическая обработка профилей поверхности дала Рис. 1. Схематическое изображение фотодетектора, сформи- среднее значение размеров островков Ge в плоскорованного на подложке кремний-на-изоляторе. сти роста 8 нм и плотность островков 1012 см-2.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Волноводные Ge / Si-фотодиоды со встроенными слоями квантовых точек Ge... Для проведений измерений комбинационного рассеяния света (КР) и фотолюминесценции (ФЛ) выращивались контрольные образцы на кремниевых подложках — спутниках. Последовательность всех слоев была такой же, как и для образцов на подложках КНИ, за исключением верхнего слоя n+-Si, который отсутствовал в контрольных структурах. Кроме того, число слоев Ge в контрольных образцах составляло не 36, а 10.

Дальнейшее изготовление фотоприемника происходило на кремниевой линейке с использованием специально разработанного комплекта фотошаблонов. Ширина волноводов составляла 50 мкм, длина варьировалась от 100 мкм до 5 мм. Формирование вертикальных стенок фотодиодов осуществлялось с помощью стандартной фотолитографии и плазмохимического травления на глубину 1.6 мкм. В качестве отражающих покрытий со стороны подложки служил захороненный слой SiO2, а со стороны стенок волновода пленка алюминия толщиной 70 нм, выполняющая одновременно функцию электрического контакта к верхнему слою n+-Si. Торец волновода, через который осуществлялась засветка, так же как и все остальные стенки, был покрыт пленкой пиролитического SiO2 толщиной 225 нм, выполняющей функцию просветляющего покрытия на длине волны 1.3 мкм.

Рис. 3. Спектры комбинационного рассеяния света в образце с нанокластерами Ge (сплошная линия) и в подложке Si (пунк3. Комбинационное рассеяние света тирная линия, интенсивность умножена на 10) в геометрии рассеяния XY. Штриховая линия — спектр от кремниевой Структура нанокластеров Ge анализировалась из данподложки без анализа поляризации рассеянного света.

ных спектроскопии комбинационного рассеяния света.

Спектры регистрировались при комнатной температуре на автоматизированной установке на базе спектрометра ДФС-52 (ЛОМО, Санкт-Петербург) при возбуждении колебаниях связей Si-Si (от подложки). Из анализа КР излучением Ar-лазера ( = 514.5нм). Использова- положения и интенсивностей пиков КР были оценены лась геометрия квазиобратного рассеяния. Применялась стехиометрический состав и механические напряжения поляризационная геометрия рассеяния XY : вектор поля- в островках Ge.

ризации падающего излучения был направлен вдоль кри- Отношение интегральных интенсивностей рассеяния сталлографического направления структур [001] (ось X), на связях Ge-Ge и Ge-Si составляет рассеянный свет регистрировался в поляризации [010] IGeGe x (ось Y ). Выбор такой геометрии обусловлен тем, что она B, (1) ISiGe 2(1 - x) является разрешенной для рассеяния на LO-фононах в германии и кремнии и запрещенной для двухфононного где B = 3.2 [10]. На основе этих данных было устарассеяния на TA-фононах от подложки кремния. Это новлено, что относительное содержание германия x в позволило избавиться от сложностей в интерпретации островках составляет примерно 0.65-0.70.

спектров КР, рассмотренных в работе [9].

Анализ положения пиков КР можно провести на На рис. 3 приведены спектры КР образца с островками основе подхода, изложенного в работах [11,12]. Так как Ge и кремниевой подложки в геометрии XY, а также частота оптических фононов в центре зоны Бриллюэна спектр кремниевой подложки без анализа поляризации для объемного германия равна 302 см-1, частоты колерассеянного света. В последнем спектре видны пики, баний связей Si-Si, Ge-Si, Ge-Ge можно аппроксимисоответствующие двухфононному КР на TA-фононах ровать как кремния, схожие с наблюдавшимися в работе [9]. Видно, SiSi = 520.5 - 62x - 8.15, что в поляризационной геометрии XY эти пики имеют другую форму и ослаблены по интенсивности более чем GeSi = 400.5 + 14.2x - 5.75, на порядок (для удобства восприятия и для сравнения спектр в геометрии XY от Si-подложки умножен на 10).

GeGe = 302 - 18(1 - x) - 3.85, (2) В спектре образца с нанокластерами Ge видны пики, соответствующие КР света на оптических колебани- где x — содержание Ge в островках, — относительное ях связей Ge-Ge и Ge-Si, а также на оптических рассогласование постоянных решетки. В работе [12] 8 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1268 А.И. Якимов, А.В. Двуреченский, В.В. Кириенко, Н.П. Степина, А.И. Никифоров, В.В. Ульянов...

приводятся зависимости этих частот (в см-1) от состава (для x, не превышающих 0.4) и от относительного рассогласования постоянных решетки в плоскости роста (100) (в процентах). Смещение берется для германия, и при напряжениях сжатия оно имеет отрицательный знак. Написав выражения (2), мы экстраполировали эти зависимости в область нанокластеров с содержанием Ge x, близким к единице.

Положение максимума сигнала от связей Ge-Ge составляет 300 см-1 (рис. 3). С учетом того, что изза квантово-размерного эффекта положение пика для островков высотой 1.4 нм смещается на 4 см-1 в сторону меньших частот, в ненапряженных нанокластерах состава Ge0.7Si0.3 положение данного пика составило бы 292.5 см-1. Таким образом, общее смещение за счет ме- Рис. 5. Спектральные зависимости чувствительности фотодетекторов с различной длиной волновода L в режиме тока ханических напряжений равно 7.5см-1. Максимальная короткого замыкания: L = 0.2 (1), 0.5 (2), 1 (3), 2 (4), 3 мм(5).

относительная величина разности постоянных решетки в Температура измерения комнатная.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.