Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4075
Buca, Dan Mihai
Fabrication and characterization of ultra-fast Si-based detectors for near-infrared wavelenghts
VII, 97 S., 2003
Diese Dissertation beschreibt die physikalischen Konzepte und die Realisierung
von ultraschnellen Photodetektoren, die einerseits mit Verfahren
gefertigt wurden, die kompatibel zur Silizium- CMOS- Technologie sind und
die andererseits auch im nahen Infrarot- Wellenlängenbereich bis etwa 1550
nm eine akzeptable Quanteneffizienz aufweisen . Die Wellenlängen von 1300
und 1550 nm werden in der modernen Optokommunikation im Fernverkehr
eingesetzt, weil die Glasfasern in diesem Bereich ihr Absorptionsminimum
aufweisen . Weil das technologisch überragend wichtige Silizium wegen seiner
Bandlücke eine Absorptions-Grenzwellenlänge von 1 .1 µm aufweist, kann es
nicht direkt als Detektormaterial eingesetzt werden. Die im allgemeinen verwendeten
III/V- Halbleiter sind nicht kompatibel zur Siliziumtechnologie,
können also nicht zusammen mit Silizium aufgewachsen werden. Deshalb
werden in dieser Arbeit Silizium - Germanium - Legierungen und reines
Germanium als absorbierende Schichten untersucht. Das photoempfindliche
Halbleitermaterial (Semiconductor S) wird mit zwei Metallen kontaktiert :
"MSM - Detektor" . Beide Metallflächen bilden sperrende Schottky - Kontakte
zum Halbleiter aus, die gegeneinander geschaltet sind und die den
Wert des Dunkelstromes bei angelegter Vorspannung begrenzen sollen, weil
jeweils eine Schottkydiode sperrt . Dagegen können sowohl die photogenerierten
Elektronen wie auch die Löcher direkt die Elektroden erreichen, denn
für sie ist keine Schottky - Barriere zu überwinden. So wird ein sehr schnelles
Zeitverhalten des Detektors erreicht. Zwei verschiedene Wege wurden beschritten,
um eine ausreichende optische Absorption bei 1500 nm zu erzielen: Zum
ersten wurden SiGe Übergitter mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie (MBE)
auf einkristallinen dünnen Schichten aus CoSi2 aufgewachsen. In diesen
Übergittern wächst SiGe mit hoher Ge- Konzentration auf. Zusätzlich ist
in diesen Übergittern das SiGe stark elastisch verspannt (" strained undulating
layer superlattice") . Dadurch ergibt sich eine Verringerung der Bandlücke
und eine verbesserte Infrarotabsorption. Die aus diesem Material strukturierten
Detektoren haben eine Quanteneffizienz von 5 % bei 1300 nm und 0.9
% bei 1550 nm . Diese Detektoren setzen die erwähnte epitaktische Schicht
aus metallischem CoSi2 als "vergrabenen" elektrischen Schottkykontakt ein
und sind "vertikal strukturiert", weil der zweite Schottkykontakt über dem
SiGe als Cr - Deckschicht ausgebildet ist . Die charakteristische Driftlänge
der photogenerierten Ladungsträger zu den Kontakten ist "senkrecht" durch
die SiGe- Schicht und beträgt entsprechend nur etwa 400 nm. Die kurze
Weglänge ergibt einen sehr schnellen elektrischen Pulsanstieg . Das gemessene
Zeitverhalten ergab eine Puls - Halbwertsbreite von 9.4 ps bei 1550 nm .
Diese Halbwertsbreite ist vor allem durch die relativ große Kapazität der
Anordnung bedingt, denn die beiden Kontaktmetalle bilden einen SiGe -gefüllten
Plattenkondensator mit sehr geringem Elektrodenabstand. Zum
zweiten wurde versucht, reines Ge auf Si (111) aufzuwachsen . Um die wegen
der Gitterfehlanpassung zwischen Si und Ge zu erwartende Ge - Inselbildung
zu unterdrücken, wurde beim Wachstum in der MBE eine inerte
Oberflächenbedeckung durch Sb eingesetzt (Sb wirkt als "surfactant", also
etwa wie ein schützendes "Flußmittel") . Ge wächst unter der passivierenden
Sb - Deckschicht in Lagen auf Si (111) auf, weil Sb die Oberflächendiffusion
des Ge behindert . Weil dieses Epitaxieverfahren nur direkt auf Si (111) erfolgreich
realisiert werden konnte, mußte auf die vergrabene COSi2 - Elektrode
verzichtet werden . Statt dessen wurden zur Realisierung des Detektors nach
Entfernung der Sb - Schicht ineinandergreifende Fingerelektroden aus Cr auf
der Ge - Oberfläche aufgedampft. Weil die Finger durch Photolithographie
strukturiert werden müssen, ergab sich ein minimaler Fingerabstand von 1500
nm . Diese Detektoren zeigten eine Quanteneffizienz von 13 % bei 1320 nm
und 7 .5 % bei 1550 nm . Das Zeitverhalten ist wegen des Fingerabstandes von
1 .5 Mm etwas langsamer : eine Halbwertsbreite von 12 .5 ps wurde gemessen.
Die elektrische Pulslänge ist in diesem Fall ausschließlich durch den Driftweg
der Ladungsträger zu den Cr - Elektroden gegeben. Das sehr schnelle elektrische
Pulsverhalten beider Detektorbauweisen ist jedoch sehr befriedigend
und stellt jeweils einen Rekordwert dar.
Die elektrischen Kurzzeitmessungen wurden auf einem eigens für diese Arbeit
umgebauten optischen Femtosekunden- Spektroskopie- Messplatz durchgeführt .
Ein Ti:Saphir - Festkörperlaser liefert ultrakurze Pulse von 120 fs Halbwertsbreite
und 780 nm Wellenlänge, die in einem nachgeschalteten optischen
parametrischen Oszillator (OPO) mit Hilfe nicht- linearer Prozesse zu kurzen
Pulsen längerer Wellenlänge (1300 - 1550 nm) konvertiert werden. Diese
optischen Pulse wurden auf die Detektoren fokussiert. Das elektrische Signal
der Detektoren wurde über eine Mikrostreifenleitung abgeleitet und mit
Hilfe eines elektrooptischen LiTa03 Kristalles optisch ausgewertet (" Optical
pump- probe set-up") .
This thesis presents two different concepts for the fabrication of ultrafast
metal-semiconductor-metal (MSM) photodetectors, which are to be used in
the near-infrared wavelength regime and which are compatible to silicon processing
techniques . To achieve this goal, we have grown Si-Si l-xGex undulating
layer superlattices with x=0.39 and 0.45 by molecular beam epitaxy
(MBE) an top of epitaxial implanted COSi2 layers and fabricated "vertical"
MSM detectors . The devices Show a quantum efficiency of 5% for the wave-length
of 1320 nm and 0 .9% for 1550 nm. We performed time response
measurements, using a Ti:sapphire laser and an optical parametric oscillator
which generates ultrafast pulses at infrared wavelengths. An electrical
response time of 11 .6 ps füll width at half maximum (FWHM) was obtained
at a wavelength of 1300 nm. At 1550 nm a response time of 9.4 ps was
measured .
In a second approach, we have grown pure Ge by MBE an Si (111) . The
sensitive volumes are 270 nm thick Ge films. Interdigitated Cr metal top
electrodes of 1.5 - 3 µm spacing and identical finger width form Schottky
contacts to the Ge film. These detectors Show a response time of 12 .5 ps
füll width at half maximum both at 1300 nm and 1550 nm. The temporal
response is limited by the transit time of the carriers between the electrodes .
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