Si基子带跃迁中红外探测器研究

中红外探测器在航天、国防、安全、生物、人体健康和环保等领域具有十分重要的应用价值，基于子带跃迁机理的SiGe/Si中红外探测器以其具有正入射响应、低暗电流、易于集成等优点受到国内外学者极大关注。由于SiGe/Si量子阱带阶在价带，通常Si衬底上生长的压应变SiGe/Si量子阱跃迁载流子为重空穴，跃迁几率低。本课题基于kop方法研究应变SiGe/Si量子阱结构中价带能带结构和空穴有效质量，提出采用高弛豫度、高Ge组分SiGe做赝衬底，制备张应变SiGe/Si量子阱中红外探测器，可明显改善器件的响应特性；针对高Ge组分SiGe赝衬底缺陷位错密度高、表面起伏大、弛豫不完全，提出双缓冲层结构：采用低温生长弛豫层获得高弛豫度，采用压应变缓冲层抑制位错向外延层攀移，提高赝衬底的晶体质量；在此基础上，制备2-10微米高特征响应的SiGe/Si张应变子带跃迁探测器原型器件。

红外探测器在航天、国防、安全、生物、人体健康和环保等领域具有十分重要的应用价值，基于子带跃迁机理的SiGe/Si中红外探测器以其具有正入射响应、低暗电流、易于集成等优点受到国内外学者极大关注。我们采用六带k•p方法系统地研究了SiGe/Si材料的价带能带结构和空穴有效质量，定量计算分析了P型高掺杂SiGe/Si量子阱中的载流子分布、空穴子带跃迁矩阵元和量子阱空穴子带跃迁光吸收特性。研究了基于空穴束缚态和准束缚态跃迁模型，研究了压应变和张应变SiGe/Si量子阱红外探测器的能带结构和品质因子，理论表明张应变SiGe/Si量子阱红外探测器结构具有更高的吸收系数、更好的载流子输运特性和高探测灵敏度。设计出响应波长在2-10 µm之间的SiGe/Si量子阱子带跃迁中红外探测器结构和基于空穴有效质量反转的新型SiGe/Si量子阱红外探测器材结构。我们采用低温Ge缓冲层制备SiGe弛豫衬底的技术，有效地改善了应变弛豫、表面形貌以及降低位错密度，优化了低温Ge缓冲层制备SiGe弛豫衬底的生长条件，制备出质量良好的Si0.72Ge0.28弛豫衬底。在300 oC低温Ge量子点缓冲层上生长的SiGe外延层厚度仅为380 nm，弛豫度已达99%，位错密度~105 cm-2，表面无Cross-hatch形貌，表面粗糙度小于1.8 nm。并研究了该弛豫衬底的热稳定性，发现在高温退火时，低温弛豫衬底会出现Ge-Si互扩散。除表面粗糙度未完成指标外，其它均达到指标要求。我们在Si、SOI衬底上分别生长了SiGe/Si量子阱结构，根据界面的形貌特征和XRD卫星峰的数量以及卫星峰之间的潘多拉斯条纹出现，表明我们得到了界面平整均匀，结晶性能好的应变的量子阱材料。但是在SiGe弛豫衬底上的SiGe/Si量子阱结构出现偏析问题。我们系统研究了SiGe P型掺杂条件，生长了调制掺杂的SiGe/Si量子阱。根据设计我们制备出MSM结构正入射P型SiGe/Si量子阱红外探测器，对制作的器件进行光电特性测试分析。采用FTIR设备测量光响应谱，在正入射300 K温度下，测量到SiGe/Si量子阱子带跃迁吸收峰，谱峰范围在3-7µm。低温77 K温度下， 吸收增强，半高宽变窄，吸收峰值在4.2 µm。结合能带结构，该峰是源于空穴载流子从量子阱基态HH1到连续态(HH1-con)跃迁光吸收。