硅基近红外探测器研究进展

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1、硅基近红外探测器研究进展时文华，王启明（中国科学院半导体研究所集成光电子国家重点实验室，北京100083）摘要：介绍了近年来在硅基近红外探测器方面所取得的最新进展，分析并讨论了各种吸收区材料以及器件结构，并对其发展与应用进行了展望。关键词：硅基；探测器；近红外；键合；锗硅中图分类号：TN215文献标识码：A文章编号：1001-5868（2005）06-0471-05ProgressonSi-basedNear-infraredLightDetectorsSHIWen-hua，WANGOi-ming（StateKeyLab.onIntegratedOptoelectronics，I

2、nstituteofSemiconductors，ChineseAcademyofSciences，Beijing100083，CHN）Abstract：ThelatestprogressesaboutSi-basednear-infraredlightdetectorsarepresented.Materialusedastheabsorptionlayerandthestructureofdetectorsarediscussed.Theirdevelopmentandapplicationsarealsoprospected.Keywords：Si-based；detect

3、or；near-infrared；bonding；GeSi引言InGaAsP、InAlGaAs，其外延技术已经相当成熟。另外，近年来GaAs基GaInNAs、GaAsSb材料得到迅速发展，响应波长可以延伸到1.55!m。但是由于晶格失配的原因，在Si上直接外延上述材料作为探测器吸收层尚不可行。而键合技术的发展使得人们可以将上述材料直接粘附在Si基片上作为探测器的吸收区。1995年，Ejeckam［1］将InGaAs/InP材料键合在Si基片上成功制作出PIN结构的硅基1.55!m探测器，其外量子效率达80%，暗电流在-5V时仅有0.29nA，图1为其结构示意图。在InP基片上外延

4、好吸收区和电极层材料，通过BAR［2］（bondingbyatomicrearrangement）键合技术，将之与硅基片键合，然后去除InP基片，刻蚀台面，制作电极。PIN结构的光电探测器具有高的响应度和响应速度，宽的响应波长，并且灵敏度高，具有很大的应用价值。然而现代光通信系统中密集波分复用（DWDM）技术越来越受到人们的关注，作为关键器件之一———解复用接收器件大多还只能采用分立的解复用技术，集成度低，插入损耗大。这样，集波长选择与探测于一身的共振腔增强型（RCE）探测1光通信技术的不断发展对光接收设备提出了越来越高的要求，制作高速率、高响应度和低暗电流，响应波长在1.3~1

5、.55!m的近红外光电探测器，并最终实现光电集成接收机芯片一直是人们追求的目标。目前，"-#族材料在这方面的工艺已经成熟并已实现产业化，但其价格昂贵、热学机械性能较差，并且不能与现有成熟的硅基工艺兼容。随着硅基光电子技术的不断发展，特别是硅基光波导、HBT的性能不断提高，为制作高性能硅基光电集成接收芯片提供了先决条件，高性能硅基近红外波段（特别是1.55!m）光电探测器逐渐成为研究的热点。采用键合技术实现硅基近红外响应由于硅材料本身的特点，其响应波长小于1.1!m。InP基"-#族材料在1.3~1.55!m波段具有很高的响应，与InP基片晶格匹配的材料有2收稿日期：2005-08

6、-24.基金项目：国家自然科学基金资助项目（60336010）；国家重大基础研究规划项目（TG200036603）；国家自然科学基金重大基础研究计划项目（90104003）.SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICSVol.26No.6D.2005eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee器［3］，作为集成解复用器件，成为人们研究的热点。镜材料，采用介质键合方法进行键合工艺，大大降低了工艺难度和成本。考虑到其自由谱宽在80Im左右，峰值半高宽也可以做到5Im以下，可以作为CWDM系统中一种低成本的光接收集成器件。另

7、外，考虑到DWDM使用标准要求器件半高宽小于0.8Im，又在上述器件的基础上成功研制出窄线宽RCE探测器。由于器件的峰值半高宽与腔长成反比，在腔内保留一层IIP基片（约90!m），大大压缩了峰值半高宽。实验测得峰值半高宽为0.7Im，自由谱宽则缩小为4Im。该器件能满足DWDM系统的要求。由于自由谱宽比较小，可以辅助其他自由谱宽较宽但峰值半高宽特性不是很好的滤波器使用，这样可以实现以较低的成本制作在DWDM系统中可实用的解复用接收器。图1硅基IIGaASPIN探测器结构中科院半导