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Ge/Si异质结纳米线雪崩倍增探测器的制备及性能研究

批准号:
62064013
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
36.0 万元
负责人:
杨杰
依托单位:
学科分类:
半导体光电子器件与集成
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
杨杰

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
传统Ge/Si吸收倍增分离雪崩探测器(SACM-APD)面临着工作电压高、波导光耦合效率低等问题。研制高性能纳米线光电探测器是当前光信息技术前沿的热点课题之一,为解决上述局限提供了新的思路。本项目创新提出Ge/Si异质结纳米线SACM-APD器件结构,着重对Ge/Si纳米线材料的生长质量、纳米线器件的设计、制备工艺、工作机理展开细致研究;探索Ge/Si纳米线APD器件结弯曲效应增强内电场、径向结实现光吸收和载流子输运的高效分离、雪崩倍增效应、隧穿激发等物理机制;分析Si纳米线径向Ge壳层外延过程中应变弛豫和位错动力学机制,优化平基底上低位错密度Ge/Si薄膜垂直均匀刻蚀的工艺条件,获得高质量的Ge/Si径向和轴向异质结纳米线材料;研究纳米线表面缺陷处理、表面钝化、纳米线与体材料隔离等器件工艺,揭示纳米线器件中载流子的复合输运机制,研制出低功耗和高性能Ge/Si异质结纳米线APD器件。
英文摘要
Conventional Ge/Si separated absorption charge multiplication-avalanche photodetector (SACM-APD) is faced with two problems, high operating voltage and low optical coupling efficiency for waveguide-integrated structure. The appearance of novel nanowire photodetector provides a new way to solve these problems. Thus, the fabrication of high-performance nanowire SACM-APD is one of the frontier topics in optoelectronic information field. The SACM-APDs based on Ge/Si axial and coaxial heterojunction nanowire are innovatively proposed in this project. The quality of Ge/Si axial and coaxial heterojunction nanowire, the design of device configuration, the device processing and the operating mechanism of those nanowire SACM-APD are studied in detail, respectively. The physical mechanisms of an increase in internal electric field induced by junction curvature effects, efficient separation of light absorption and carrier collection arisen from the coaxial heterojunction structure, avalanche multiplication effects in Ge/Si axial and coaxial heterojunction nanowire, and the tunneling properties of carriers are also investigated. Analysis on the strain relaxation and the dynamic mechanisms of dislocations during the growth of Ge shell layer on Si core-nanowire provides the theoretical guidance for the suppression of dislocation nucleation and diffusion. The process conditions for vertical uniform etching of Ge/Si films with low dislocation density are optimized. High quality Ge/Si axial and coaxial heterojunction nanowires are obtained. The device processing technologies, including the surface defect treatment of nanowires, nanowire surface passivation and the separation process of nanowire and bulk material, are studied. The recombination and transport mechanisms of carriers in nanowire device are revealed. Low-power-consumption and high-performance Ge/Si heterojunction nanowire SACM-APDs are fabricated.
光芯片和光器件的技术革新决定着新一代光信息技术的发展,研制高性能纳米线光探测器已成为当前光信息技术前沿的热点课题之一。本项目以实现Ge/Si异质结纳米线及其光电探测器的制备为研究目标,探索纳米线结构参数对光探测性能的影响。分别采用自上而下以及自下而上技术制备了周期可控、尺寸可调和表面光滑的有序Si、Ge和Ge/Si异质结纳米线阵列,寻找出适用于探测器制备的Ge/Si异质结纳米线生长工艺和方法,基于此研究了6种类型的Ge/Si纳米线探测器的制备及其性能。在Ge量子点包裹Si纳米线的有序核壳纳米线探测器中,分别研究了Si纳米线阵列的结构参数、Ge量子点的尺寸大小、Si纳米线表面缺陷以及表面钝化对光探测器性能的影响。在Ge/Si径向纳异质结米线肖特基探测器中,探讨了溅射原子入射角度和薄膜生长质量的影响,获得了最优的径向异质结纳米线结构参数。创新性地采用聚焦离子束技术,在溅射生长的Ge薄膜上注入Ga离子形成一层P型Ge层,制备出了Ge/Si径向纳异质结米线PIN型探测器,着重分析了注入层深度、径向PIN异质结纳米线的注入条件、纳米线结构等参数对探测性能的影响。在Ge/Si轴向纳异质结米线PIN型器件研究中关注纳米线表面质量的优化以及掺杂对性能的影响。通过充分利用由陷光效应增强的光吸收,并极力抑制由大量表面复合中心导致的漏电缺陷,提高光生载流子的分离和输运效率,增加了器件的光探测性能。纳米线结构的性能都优于平面型,径向异质结PIN型纳米线的探测性能最佳。此外,还探究了GeSn-SiO2量子点探测器和钙钛矿/Ge核壳纳米线探测器的性能。原创性地使用聚焦离子束技术制备了单根Si纳米线和单根Ge纳米线探测器,研究了离子辐照、纳米线直径和表面氧化壳层对器件性能的影响,获得了性能优异的纳米线探测器,也为多类型纳米线集成的宽光谱探测器的设计和研制奠定了基础。
寒武纪小石坝生物群抚仙湖虫类的深入研究
  • 批准号:
    42162002
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    36万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    杨杰
  • 依托单位:
有序Si纳米线Ge/Si量子点复合结构的溅射制备及其性能研究
  • 批准号:
    11504322
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    22.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    杨杰
  • 依托单位:
云南昆明寒武系第二统小石坝生物群研究
  • 批准号:
    41472022
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    86.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    杨杰
  • 依托单位:
国内基金
海外基金