英语原文共 5 页
大温度变化范围内硅基锗PIN二极管的F-K效应
摘要：
在温度变化范围较大的情况下，为了使硅基锗PIN二极管能满足正常工作条件，人们需要对其吸收边带上的电光性能以及F-K效应进行研究。本论文的研究结果表明，在233K到343K的温度范围内，在-1V的外加偏置电压条件下，温度每变化1K，反向暗电流就增长5%。工作温度为343K时的暗电流比工作温度为293K时的暗电流大7.4倍。温度也影响着二极管的电光效应。根据反向电流的大小对外加电场依赖性以及正向电流的理想条件，所研究的二极管中的暗电流是由带隙中陷阱电平的产生/复合引起的。暗电流的温度依赖性产生的能量表明势阱能量比本征水平大约高100兆电子伏，随后，讨论了温度对电光性能的影响，特别是对集成检测和调制器件的影响。光谱响应表明，在温度较高的情况下，吸收范围以1nm/K的速度扩大到红外。尽管暗电流不断增加，但我们依然观察到了了电光f-k效应，获得了在359K温度以下的典型调制光谱，并且得出在暗电流达到最大值时，在300K到359K的温度区间内，2V的偏置电压在通断状态下的吸收率变化都会持续达到777/cm。
1引言
对于现代信息处理来说，要求提高数据传输的速率，对于这一点，利用光互连传输比利用铜线要有利得多，因为铜线导致的高传输损耗决定性地限制了数据速率。对于远程通信，已经通过光纤完成了光学接口之间的转换。目前最先进的互补金属氧化物半导体（CMOS）器件由于金属互连而产生的功耗和寄生电容限制了其性能。因此，将光互连传输应用到芯片上被认为是解决许多有关硅芯片信息处理问题的一种方法。同时，将微尺度和纳米尺度的光学器件集成到硅芯片上的研究领域：硅光子学,也得到了广泛的发展。在目前的CMOS制造工艺中，制备集成有源器件所需的一种有希望的低成本材料是锗，室温下锗的直接带边为1.55um，与现代光通信波长非常匹配。硅基锗二极管已经证明了其能运用到集成高速检测和吸收调制装置的潜力。
然而，生长在硅上的锗由于约4%的晶格失配而具有较高的穿线位错密度，因此暗电流密度显著增加，减小穿线位错密度的一般策略是进行热退火处理，以降低暗电流密度。退火步骤导致锗的直接吸收从0.8eV（对于未经应变的锗）明显转变为（对于拉伸应变的锗）较低的值。
未来的集成锗器件应该适应硅片的工作条件。其中适应温度变化尤其重要，因为硅片在工作过程中会发热，光学器件对温度变化非常敏感。温度的影响导致吸收边进一步的红外位移，在1.55um（0.8ev）的波长下，由于拉伸应变和操作过程中温度的影响，吸收边位移必须得到补偿或控制。
锗二极管的反向电流及其与温度的关系已经有了基本的研究，但是，对于硅基锗二极管来说，可以找到有关暗电流产生的定性描述，但很少进行定量分析。只有几微米厚度的锗表面膜，很少有关于温度升高对电特性和光响应率的影响的结果报道。而且，除了温度响应性，也没有研究电场诱导吸收变化的温度依赖性，即Franz-Keldysh效应。
本文详细分析了暗电流、响应率和吸收变化在电场诱导下对温度的依赖关系，包括硅基锗二极管的弗朗兹-凯迪什效应。利用随温度变化的电流电压特性，推导出对暗电流影响最大的陷阱能级。典型的弗朗兹-凯迪什振荡被分解到359K，并且波段边缘随温度移动。在300K的温度下，5 V电压时的最大吸收比大约是0.745eV，占2.5。
2实验过程
垂直锗PIN光电二极管是由固体源SiGe分子束在硅衬底上外延[100]方向生长的。MBE层的生长提供了掺杂浓度在4个数量级上的突变，并且在低生长温度下的高掺杂浓度为。PIN管在n层和p层之间有一个特殊的双异质结构。埋置p-接触层由400纳米的掺杂浓度为的掺杂Si和100纳米掺杂浓度为的掺杂Ge组成，在形成虚拟基板过程中，温度高达850摄氏度，这样可以降低螺纹位错密度。接着是厚度为500纳米的本征锗区的生长和700摄氏度下的附加退火步骤，在顶部实现了100 nm的掺杂浓度为 的掺杂锗和100纳米的掺杂硅片的拼接。
为了钝化蚀刻的双台面结构Si02，在390℃的温度下用等离子体增强化学反应器沉积。这是设备处理过程中的最高温度。为了金属镀层，铝被融化并重塑。由于PIN二极管是光学表征中最方便的结构，因此选择了垂直安装的PIN二极管。需要注意的是，相同的层结构及其特征也可用于横向设置。图1所示为用扫描电子显微镜（SEM）拍摄的半径为10的PIN光电二极管俯视图和截面图。用到的扫描电子显微镜型号是zeiss LEO 1550，加速电压为10千伏。为了评价三元区的残余应变，在加工后的金属窗中心直接进行了乌拉曼测量。测量结果表明，波数沿应变拉伸方向移动。根据该值对应于约的残余拉伸平面应变，该残余拉伸平面应变是由于在层生长期间进行高温退火步骤而产生的。此外，为了评估耦合损耗（图2），使用型号为aperkiner lambda 1050的光谱仪测量了整个层叠加的反射（图2）。接近锗的直接带隙（0.8ev），由于器件顶部起到了抗反射层的作用，反射显示最小值为10%。在电测量中，台面半径在10mu;m和80mu;m之间变化。用于光学测量的圆形台面二极管具有40mu;m的半径，以便于和单体玻璃光纤垂直耦合。所有测量均采用晶片测量装置进行。
3结果与讨论：
3.1电气特性
图3显示了温度为293K时四个不同半径的二极管的电流密度j和偏压V的关系函数，正向电流和反向电流的主要分布在除串联电阻以外的区域，原因是串联电阻区域采用了埋层接触设计。从结果中可以明显的看出，在忽略表面漏电流的情况下，主要电流流过二极管的体积。偏压为-1 V时的暗电流密度为，在电压约为-9 V时发生击穿，击穿电压随二极管半径的增大而略有下降，降至-8.5V。从正向偏压特性中可以看出，二极管半径为10mu;m到80mu;m之间时，其串联电阻分别为、、和欧姆。理想系数约为1.3（U=0.14 V， =1.27），直至串联电阻开始产生影响。对串联电阻的主要贡献来源于埋置的p接触层。采用传输线法对薄板和接触电阻进行了分析。的P接触层和的N接触层，可分别被提取出来。30.0/sq和50.5/sq的片材电阻分别验证了P层和N层的预期掺杂浓度。
为了进一步了解引起暗电流的主要电气机制，需要研究暗电流随温度的增加而变化的特性。因此，记录了温度在233K至343K范围内变化的J-V特性。在-1 V时，温度升高1 K导致反向暗电流平均增加5%，这与文献[14]中的报告值和文献[13]中的高质量样品相对应。当工作温度为343K时，暗电流比293K时大7.4倍。使用温度升高型的CMOS芯片会提高电流噪声，并明显影响集成硅基锗PIN二极管上的整体性能。
二极管反向电流的近似计算结果如下面的公式1所示。
（1）
公式忽略了电场依赖性反向电流倍增，以及通过从陷阱中隧穿增强的产生率，其中是电子的扩散常数，和分别是电子和空穴的载流子寿命，是本征载流子浓度，是受体掺杂浓度，W是耗尽层宽度，假设硅基锗PIN二极管上的暗电流主要由公式1的第二个求和相对应的电流控制。能够支撑这一假设的有力证据是反向电流的大小、反向电流与电场强度的指数关系、反向电流的归一化系数大于正向的归一化理想系数。体现温度依赖性的第一个方面是公式1的一个参数因子，满足：
prop; （2）
体现温度依赖型的第二个方面是公式1中的另一个参数因子，满足：
prop;prop; （3）
这个公式的推导包含了一个假设，即陷阱Et位于带隙的中间，在带隙的中间它们是最有效的。因此理想因子eta;应等于2。综上所述，最简单的二极管反向电流和温度之间的函数模型如下面公式4所示。
（4）
因此，与1/KT的阿利纽斯图法反映出产生的活化能Ea=-Eg/2。需要我们注意的是，以扩散电流为主的反向电流也能导致Eg的激活能。图4中给出了几种反向电压情况下的阿利纽斯图。线性化的曲线显示，对于较高的反向偏压，观察到的活化能的绝对值|Ea|低于Eg/2=0.33 eV。此外，还发现了与活化能有关的电场。因此，有效陷阱水平似乎不会直接位于带隙的中间区域。
为了定量评估，我们使用肖克利建立的模型。他提出了一个ln和1/KT的关系图。
为了获得关于当前陷阱能级Et与三次费米能级E i之间偏差的更多信息。这种关系的推导得出如下公式5。
（5）
其中，是温度T=0K时候的带隙能，和是注入耗尽区的电子和空穴的寿命。该方法对-1 V外加偏压下的Ea=-0 265 eV的活化能进行了研究。在一阶近似中，对于参数的双曲正切的高值，得到|Ei-Et| =0.106 ev的值。如果寿命比超过两个数量级，则|Ei-Et|可能会进一步增长。因此，上述值是陷阱能级与固有费米能级之间的最小差值
3.2电光特性
在光学表征方面，我们采用电制吸收技术测定了样品的响应度。为了在较宽的光子能量可变范围内获得合理的光功率和较窄的输出光谱，采用了连续光源和声光可调谐波长滤波器。光通过透镜与光纤耦合进入到二极管。对于所有波长的入射光，耦合光功率保持在200 uw左右的恒定值
我们记录了不同温度下光谱响应受外界电压变化的影响。图5显示了300 K温度下出现了电光效应，这就是所谓的弗朗兹-凯尔迪什效应（FKE）[21-22]。在光子能量小于禁带宽度Eg的情况下，光子响应率随外加偏置电压升高而升高，在光子能量大于禁带宽度Eg的情况下，就可以观察到典型的弗朗兹-凯迪尔什振荡，甚至在外界偏置电压为0的情况下，因为PIN二极管中的内置电场仍然存在，因此也可以观察到弗朗兹-凯迪尔什效应的的影响。在1.55um的光波长和0V外界偏置电压的情况下，测量到了0.14A/W的响应率。
图6所示的是从300 K到359 K之间的几种温度对应的光吸收响应谱。对于较高的温度，由于带隙收缩，光吸收响应谱向较低的光子能量方向移动。这会导致整个范围内对光子能量的响应性增加。在这种情况下，我们推断绝大多数光子产生的电子空穴对有助于光电流增加，电子空穴对之间的复合可以忽略不计，甚至有助于预先设定的温度，为了确保比较不同温度之间的物理正确性和一致性。以下计算以外界偏置电压-0.25 V为参考偏差水平，然后在小的反向偏差范围进行。需要注意的是，频带边缘的斜率是恒定的。由于温度变化的影响，在频带边缘的平行红移的响应性近似为1nm/K，即温度每升高1K，吸收频带边缘往低能量方向移动1nm。
为了详细研究带边吸收，于是利用实验测量的响应度计算了耗尽区的吸收系数。因此，我们假设记录的光电流只在厚度t的固有区域产生；如下面的公式6所示。
（6）
其中反射R代表测量时产生的的反射损失。是上接触层的吸收系数，是接触层的厚度。光子入射波长为lambda;，h为普朗克常数，c为光速。上面公式中的关系有一个假设，即所有的产生的电子-空穴对都被收集，这一个假设对于较低的温度当然是正确的，但在高温下可能会产生零偏置电压的问题。为了计算上层的吸收系数，我们对所有偏置电压做了= (-0.25V)近似值。随后，使用文献中的吸收系数来拟合和的层厚；需要注意的是，在初始值100nm附近，的厚度变化仅起到很小的作用，因为明显更大。拟合得到的值稍高，而值较小。这种偏差可归因于在高掺杂区产生的少量载流子，没有陷阱能级之间的复合和扩散行为。
调制光信号的依据是在给定电压摆幅下，吸收系数产生的变化，因为它直接与外电场有关。这里表示光子能量低于带隙能量的低吸收模式。相反，表示根据弗朗兹-凯迪尔什效应，由于外界偏置电压，红外吸收增强的模式。如图7所示，在较高的温度下，调制光谱向红外发生能量转移，探测器噪声随暗电流明显增加。尽管如此，电吸收技术仍然能够解决FKE特性，根据直接带边红移，测量平均温度诱导位移为0.6MeV/K约1nm/k，对于2V的电压摆幅，温度升高近60K对的绝对值没有显著影响。在最大值达到306 /cm。-777 /cm和400/ cm对应的温度相关能量范围为0.747 eV至0.778 eV； 0.778 ev至0.808 ev和0.808 ev至0.844 ev。
如上文所述，为了达到调制目的，需要提高吸收率的变化速度。另外在低吸收模式下，插入损耗必须最小，以便传输信号的消光率最小。评估二极管调制特性的一个共同优点是吸收比/。图8描述了不同电压下的吸收比在2V到5V之间变化。该图比较了337K和300K硅芯片典型工作温度下的/，预期最佳吸收调制机制位于光子能量低于带隙能量的位置，并随温度的升高而变化到更低的值。如图7所示，在337K和300K电压摆幅下，2 V的吸收比保持近似恒定。5 V电压摆幅下，最大吸收比约为2.5。相应的最大能量转移到较小的能量以增加电压。特别是在高电压波动时，随着温度的升高，吸收比明显降低。
4 结论
综上所述，我们在文章里介绍了Ge-on-Si异质结PIN二极管及其在高温下吸收边带的电学和光学性能。在操作CMOS芯片时，暗电流随环境温度的变化而变化，暗电流在0.3eV以下的激活能区域，被证明是区域成比例的，随温度的升高而适度增加。这一增长归因于与固有水平相距约100兆电子伏的陷阱电平产生和重组现象。1.55 um波长周围的光学性质以直接过渡为主。在锗的直接吸收边缘，根据温度引起的带隙收缩导致我们观察到温度引起的红移现象。以弗朗兹-凯迪尔什效应为原理的电光调制能够工作到359K的温度下，所以我们能够考虑将这种电光效应用于调制。在波长为1650nm、外界电压近似5V、温度升高的情况下，当温度达到300K时，最大的/为2.5。最大吸收比进一步以1nm/k的速度向红外方向移动。总之，集成Ge-on-Si异质结PIN二极管，在典型的芯片温度下，能够利用其电光特性检测
资料编号：[3351]
