锗硅光电器件（锗硅材料）

本文目录一览：

• 1、为什么杂质光电导探测器常用于中远红外探测
• 2、什么是锗硅
• 3、光电三极管工作原理及特性
• 4、三极管硅和锗哪个更省电
• 5、华林科纳半导体锗光电探测器与非晶硅基板上的非晶硅波导单体集成
• 6、锗硅芯片的优势

为什么杂质光电导探测器常用于中远红外探测

响应频率较低。杂质光电导探测器猜启常用于中远红外探测是因碰虚为响应频率较低。杂质光电导探测器是基于非本征光电导效应的光敏电阻。目笑兆燃前已制成许多锗、硅及锗硅金的杂质红外光电导器件。

什么是锗硅

锗硅

锗硅固溶体

由锗和硅两种元素形成的溶解度无限的替位固溶体。又称锗硅合金。分为无定形、结晶型和超晶格3种。无定形锗硅固溶体主要用作太阳电池，其转换效率已达14.4％（理论值为20％）。结晶形锗硅固溶体分为单晶和多晶，主要用作温差电材料、红外和核辐射探测器材料。用作温差电材料的锗硅固溶体是一种高温材料，热端温度可达1000～1100℃，具有效率高（可达10％）、强度大、热稳定性好、抗辐射、重量轻等优点，常用于航天系统的温差发电器。超晶格是一种新型材料。它是由两种不同半导体薄层交替排列组成的周期列阵，通过在晶体衬底上一层叠一层地生长出两种不同半导体材料薄膜获得。可用作半导体光电子材料，如制作弹道晶体管和高电子迁移率晶体管、光电导探测器、集成光电子器件等。(图兄乎数为用锗顷渗硅固溶体制作的羡首半导体光电子元器件)

光电三极管工作原理及特性

光电三极管也是一种晶体管，它有三个电极。当光照强弱变化时，电极之间的电阻会随之变化。光电三极管是在光电二极管的基础上发展起来的光电器件春败做，它本身具有放大功能。常见的光电三极管外形如图l所示，文字符号表示为VT或V。 目前的光电枯告三极管是采用硅材料制作而成的。这是由于硅元件较扒衡锗元件有小得多的暗电流和较小的温度系数。硅光电三极管是用N型硅单晶做成N—P—N结构的。管芯基区面积做得较大，发射区面积却做得较小，入射光线主要被基区吸收。与光电二极管一样，入射光在基区中激发出电子与空穴。在基区漂移场的作用下，电子被拉向集电区，而空穴被积聚在靠近发射区的一边。由于空穴的积累而引起发射区势垒的降低，其结果相当于在发射区两端加上一个正向电压，从而引起了倍率为β+1(相当于三极管共发射极电路中的电流增益)的电子注入，这就是硅光电三极管的工作原理。

三极管硅和锗哪个更省电

硅三极管。早期的纯团晶体管多数是由锗单晶制成的，包括二极管和三极管。三极管几乎都做灶橘是硅三极管。因为锗三辩段极管热稳定性差，漏电大，更省电。锗半导体器件用作二极管、晶体三极管及复合晶体管、锗半导体光电器件作光电、霍耳及压阻效应的传感器，作光电导效应的放射线检测器等。

华林科纳半导体锗光电探测器与非晶硅基板上的非晶硅波导单体集成

引言

我们展示了一个利用高质量的绝缘体上锗 (GeO) 晶片通过晶片键合技术制造的阿格 / 非晶硅混合光子集成电路平台的概念验证演示。通过等离子体化学气相沉积形成的非晶硅被认为是传统硅无源波导的一种有前途的替代物。利用锗有源层的高晶体质量和非晶硅波导的易制造性，在锗硅晶片上成功地实现了与非晶硅无源波导单片集成的低暗电流锗波导 PIN 光电探测器。

介绍

近几十年来，硅光子学领域取得了重大进展。其中，将阿格薄膜引入硅基平台被证明是一种成功的方法，它不仅能够实现新的器件功能，更重要的是，能够在单个芯片上实现各种先进系统。锗具有许多优于硅的光学特性。它在 1.3 微米至 1.55 微米的波长下表现出很强的光吸收，使其成为光纤通信中光电探测器 (PDs) 的理想选择。在锗中也观察到了大的电吸收效应，使其成为实现高效光孝纳强度调制器的有前途的材料。虽然锗是一种类似于硅的间接带隙半导体，但它在γ谷的直接带隙仅比间接带隙高 0.14 电子伏。借助新兴的能带结构工程技术，甚至有可能制造实用的锗基光源。因此，通过实现锗有源光子器件和硅无源器件，锗和硅之间的集成为实现具有成本效益的高度功能化光子集成电路 (PIC) 平台提供了有希望的手段，适用于广泛的应用。

为了使锗与硅结合，传统的方法包括在硅上外延生长锗。然而，锗和硅之间 4.2% 的大晶格失配通常导致生长的锗层以及锗 / 硅界面中的高密度位错缺陷，这可能充当不期望的产生 / 复合中心，降低锗晶体质量并因此降低器件性能 [1] 。尽管已经进行了许多尝试来提高外延锗层的质量，包括诸如两步生长、使用分级硅锗缓冲层、纵横比俘获和退火技术的方法，但是仍然难以消除外延生长期间产生的所有缺陷并获得足够高质量的阿格薄膜。

除了工艺复杂、成本高的先进外延生长方法外，晶圆键合技术对于高质量锗硅集成也很有前景。通过将阿格薄膜从阿格大块晶片转移到硅衬底上，可以避免由于晶格失配引起的晶体缺陷。此前，我们已经报道了通过结合晶圆键合和智能剥离技术技术成功制造出高质量的绝缘体上锗 (GeOI) 晶圆。

实验

非晶硅无源波导

无定形硅以其工艺简单和集成光学设计灵活而闻名 [22–24] 。为了检验其替代传统硅波导用于在锗硅衬底上互连的能力，在 2 微米巧搏没厚的二氧化硅覆盖的硅衬底上制造非晶硅波导，这也用于锗硅晶片制造。

为了便于测量，在非晶硅波导的两端设计了一对聚焦光栅耦合器，采用了与传统 SOI 光栅耦合器相似的设计方法 [25] 。假设 a-Si 的折射率值为 3.7 ，应用 560 nm 的光栅间距、 0.5 的填充因子、 9 的入射角和 70 nm 的蚀刻深度作为具有 220 nm 的 a-Si 层厚度的光栅耦合器的设计参数，目的是在 1550 nm 的中心波长实现。此外，光栅耦合器和硅波导也制作在 SOI 晶片上，该晶片包含 220 纳米厚的硅顶层和 2 微米厚的二氧化硅盒作为比较。

图 2(a) 显示了与聚焦光栅耦合器集成在一起的人工非晶硅波导的显微镜平面图。为了表征 aSi 波导的传输特性，来自商用可调谐激光器的光输入通过单模光纤 (SMF) 耦合到输入光栅耦合器。然后，输出光再次从输出光栅耦合器耦合到另一个 SMF ，透射功率由铟镓砷光电探测器测量。图 2(b) 显示了与一对光栅耦合器耦合的 1 微米宽 0.9 毫米长的非晶硅波导的典型透射光谱。

图。 2. 与聚焦光栅耦合器集成的非晶硅波导的显微镜平面图。插图显示了非晶硅光栅耦合器的放大图。与一对光栅耦合器耦合的非晶硅波导的典型透射光谱。

高质量 GeO 晶片上的 Ge 脊形波导 PDs

高质量的锗层对于获得高性能的锗钯非常重要。为了获得高质量的锗硅晶片，通过结合晶片键合和智能剥离技术技术，将来自阿格大块晶片的阿格薄膜转移到硅衬底上 2μm 厚的二氧化硅层上。对银者化学机械抛光后的锗晶片进行优化的热退火工艺，进行表面平面化，进一步提高锗晶体质量。参考文献 [20] 中给出了 GeOI 晶圆制造的细节。霍尔测量显示，在所制造的 GeO 晶片上的锗层中，具有超过 2000 cm2/Vs 的高空穴迁移率和大约 1 1016 cm3 的低载流子密度，这对于各种基于锗的功能器件是理想的。为了进一步研究锗的晶体质量，对锗衬底进行了透射电子显微镜观察。

图 4 显示了制造的 GeO 晶片的横截面 TEM 图像。插图显示了靠近锗和二氧化硅盒界面的锗层的放大图。

结论

我们已经使用晶片键合的GeOI衬底对阿格/非晶硅混合PIC平台进行了概念验证演示。利用锗层的高晶体质量和强光学限制，在锗衬底上实现了具有低暗电流和高响应度的阿格脊形波导。我们还研究了非晶硅波导替代传统硅波导在锗硅晶片上进行无源互连 的能力。与传统的硅波导相比，所制备的非晶硅条形波导表现出良好的传输特性，表明非晶硅在锗硅晶片上应用于集成光学具有很大的潜力。通过在阿格台面上引入倾斜侧壁结构，实现了锗 / 非晶硅在锗硅晶片上的共形沉积，并在此基础上成功实现了非晶硅波导集成锗钯。此外，所提出的集成方案也适用于键合在二氧化硅 / 硅晶片上的 ⅲ- ⅴ 族层，实现了更大的功能和更多的可能性。因此，未来可以为先进的集成光子学开发一个有前途的锗 / ⅲ - 钒 / 非晶硅光子学平台。

锗硅芯片的优势

锗：作为最早被研究的半导体材料，带给我们两个诺贝尔奖，第一个transistor和第一个IC。锗的优点是：

1）空穴迁移率最大，是硅的四倍；电子迁移率是硅的两倍。

2）禁带宽度比较小，有利于发展低电压器件。

3）施主/受主的激活温度远低于硅，有利于节省热预算。

4）小的波尔激子半径，有助于提高它的场发射特性。

5）小的禁带宽度，有助于组合介电材料，降低漏电世物流。

缺点也比较明显：锗属于较为活泼的材料，它和介电材料的界面容易发生氧化还原反应，生成GeO，产生较多缺陷，进而影响材料的性能；锗由于储量较少，所以直裤信接使用锗作衬底是不合适的，因此必须通过GeOI（绝缘体上锗）技术，来发展未来器件。该技术存在一定难度，但是通过借鉴研究胡返轮硅材料获得的经验，相信会在不久的将来克服。

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