博碩士論文 101521122 詳細資訊




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姓名 黃柏涵(Po-han Huang)  查詢紙本館藏   畢業系所 電機工程學系
論文名稱 以熱熔異質磊晶成長法製造之鍺光偵測器
(Silicon/Germanium Heterojunction Photodetector by Rapid-Melting-Growth Technique)
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摘要(中) 近年矽鍺整合技術逐漸應用於電子元件及光電元件,係利用鍺元素具備之高電子電洞遷移率及窄能帶的特點,可以製作出高響應度、高頻率的電子元件,但由於矽/鍺元素之間具有4%以上的晶格常數不匹配,使矽鍺異質磊晶在整合上有一定的困難。一般使用的方法是直接磊晶鍺於矽基板上,但是此方法需要使用到昂貴的超高真空機台,且磊晶成長慢、所需時間長,才能得到高品質單晶鍺,會增加製程的成本以及積體電路整合的困難性。
一般所提到的快速熱熔異質磊晶成長法係先於矽基板上沉積絕緣層,在絕緣層上方蝕刻出約1X1 µm^2的開口作為晶種視窗區,再沉積高品質單晶鍺做為晶種,沉積非晶鍺於晶種視窗區上方,並沉積非晶絕緣層覆蓋非晶鍺的區域,將試片利用快速熱熔異質磊晶成長法重新排列非晶鍺晶格結構,以此方法得到高品質的單晶鍺,並且大幅降低熱預算和降低矽/鍺異質接面的整合難度。
在本論文中的實驗直接將非晶鍺漸鍍於矽基板上,再沉積非晶絕緣層進行包覆其非晶鍺區域,進行快速熱熔異質磊晶重新成長出高品質鍺,並利用TEM、SEM及拉曼光譜觀測重新排列的鍺品質,針對矽鍺接面產生的缺陷進行探討。後續利用所成長的高品質鍺,經由元件結構設計製作垂直式PIN光偵測器,同時量測其光響應特性及表現。
摘要(英) Silicon/Germanium integration receives a lot of attention for both electronic and photonic devices; because pure germanium has a narrow band gap with electronic and hole mobility four times greater than that of silicon. These out-performed characteristics make germanium an ideal candidate for high speed electronics. However pure germanium grown on silicon is critical due to the lattice mismatch (4.2%) between these two semiconductors. Generally germanium epitaxy technique was high cost which use high vacuum machine. However it growth slow and take a lot of time, then can get high quality crystal germanium. It will enhance silicon/germanium integration difficulty.
In this article, we use liquid-phase-epitaxy and rapid-melting-growth germanium technique, then can get high quality germanium. It was take low heat cost. Then we use TEM, SEM and Raman spectrum to observe the growth germanium quality and discuss silicon/germanium hetrojuction dislocation. Then produce single crystal germanium PIN photodector devices and discuses responsibility.
關鍵字(中) ★ 熱熔異質磊晶成長法
★ 光偵測器
關鍵字(英) ★ pin photodetector
★ Rapid-Melting-Growth Technique
論文目次 目錄
中文摘要 i
英文摘要 ii
致謝 iii
目錄 iv
圖表目錄 vi
第一章 簡介 1
1-1論文架構 1
1-2光纖通訊演進 1
1-3光纖通訊基本架構 2
1-4光偵測器 6
1-5本論文研究動機及目的 9
第二章 熱熔異質磊晶與製程 12
2-1實驗設計 12
2-2熱熔異質磊晶實驗流程 12
2-3磷擴散液(As-354)擴散實驗流程 14
2-4硼擴散液(B-155)擴散實驗流程 15
2-5熱熔異質磊晶成長法製作之鍺光電偵測器實驗流程 16
第三章 熱熔異質磊晶實驗分析 19
3-1前言 19
3-2熱熔異質磊晶成長法分析 20
3-3熱熔異質磊晶成長法製作之鍺光電偵測器能帶模擬 25
3-4垂直式熱熔異質磊晶鍺光電偵測器實驗數據分析 27
第四章 熱熔異質磊晶成長法實驗結論 31
參考文獻 32
附錄Ⅰ 熱熔異質磊晶鍺光電偵測器詳細製作流程 34

圖表目錄
圖 1-2-1. 不同波段的光訊號損耗 2
圖 1-3-1. 光纖通訊系統基本架構 4
圖 1-3-2. 光纖通訊系統實際架構 5
圖 1-4-1. 光通訊系統示意圖 6
圖 1-4-2. 光檢測器示意圖 8
圖 1-5-1. 各式材料的吸收係數 10
圖 1-5-2. 快速熱熔磊晶成長法示意圖 11
圖 2-2-1. 鍺元素固液氣三相圖 13
圖 2-3-1. 1000℃不同時間矽基板磷擴散的片電阻值 15
圖 2-4-1. 不同溫度矽基板的硼擴散的片電阻值 16
圖 3-2-1. 非晶鍺直流濺鍍於矽基板光學形貌 21
圖 3-2-2. 掃描式電子顯微鏡觀測試片經過快速熱退火後形貌 21
圖 3-2-3. 熱熔異質磊晶成長法於矽鍺交界面差排缺陷 22
圖 3-2-4. 單晶鍺塊材拉曼分析 23
圖 3-2-5. 熱熔異質磊晶成長拉曼分析 23
圖 3-3-1. 異質磊晶成長法製作之鍺光電偵測器能帶模擬圖 26
圖 3-3-2. 異質磊晶鍺光電偵測器操作於偏壓-1 Volt能帶模擬圖 26
圖 3-4-1. 垂直式熱熔異質磊晶鍺光電偵測器元件俯視圖 27
圖 3-4-2. i層400 nm熱熔異質磊晶鍺光電偵測器光暗電流 28
圖 3-4-3. i層400 nm不同尺寸熱熔異質磊晶鍺光電偵測器光響應度 28
圖 3-4-4. i層1200 nm熱熔異質磊晶鍺光電偵測器光暗電流 29
圖 3-4-5. i層1200 nm熱熔異質磊晶鍺光電偵測器光響應度與光/暗電流比值 30

表 1-5-1. 不同元素材料晶格常數與能帶 9
表 3-1-1. 異質磊晶鍺光電偵測器P-I-N參數 26
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指導教授 辛正倫(Cheng-lun Hsin) 審核日期 2014-12-29
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