引言
希望這項技術可以擴充套件到可見光和近紅外波段的其他ⅲ-ⅴ族高效能光電系統。使用矽鍺模板生產砷化鎵(GaAs)金屬-半導體-金屬(MSM)光電探測器,將這種方法擴充套件到其他ⅲ–ⅴ族和晶格失配系統，可能會在可見光和近紅外波段實現高效能光電。”
矽上的ⅲ-ⅴ族材料單片整合也有望以高產率和產量降低成本，並進一步允許與主流互補金氧半導體電子器件和矽光子學平臺結合。像GaAs這樣的ⅲ-ⅴ族材料比間接帶隙矽更具光學活性。因此，GaAs和其他材料具有更高的光電探測效能。此外，創造高效光源——發光二極體和鐳射器—壓倒性地要求使用直接帶隙材料，其中最高度發達的是ⅲ-ⅴ類化合物半導體。
討論和結果
晶格失配和熱膨脹引數影響了矽上ⅲ-ⅴ族材料的沉積。在他們的工作中，使用了一種鍺層，這種鍺層比通常用於矽和ⅲ-ⅴ族半導體之間橋接的約10微米漸變矽鍺層薄得多。矽上鍺模板或“虛擬襯底”由700奈米射頻等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)層組成
(100)矽。GaAs來自金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)工藝，涉及叔丁基胂(TBA)和三甲基鎵(TMGa)前體。
在GaAs沉積之前，鍺表面分別在400℃和700℃下烘烤5分鐘和10分鐘。這些熱處理的目的是使從非極性鍺過渡到極性GaAs，而不引入反相邊界、位錯和堆垛層錯。研究人員將這種處理描述為“在開始GaAs沉積之前，增加雙原子臺階密度、吸附鍺天然氧化物和提高表面質量的一個重要步驟。”
GaAs分兩步沉積:在500℃下5分鐘，形成種子層，然後在550℃下進行剩餘的生長。器件層是未摻雜的，著眼於低電壓操作的本徵傳導行為。事實上，鍺向GaAs層的相互擴散引入了俘獲狀態和擴充套件的缺陷，從而產生具有5x1017/cm2空穴濃度的p型導電，導致~200mW/square.的薄層電阻,GaAs表面經過清洗，並在鈍化前進行氧等離子體處理，鈍化採用1–2奈米濺射氧化鋁(Al2O3)，目標是獲得高質量的肖特基接觸。蒸發的鉻和金被用作MSM光電探測器的金屬觸點。15奈米鉻作為金觸點的粘附層和種子層。
圖1
在1V反向偏壓下，Al2O3夾層將肖特基結中的洩漏降低了約20倍(圖1)。對於1V偏壓，Al2O3鈍化的開/關電流比在103左右。與沒有Al2O3鈍化的0.67eV相比，中間層還將肖特基勢壘高度降低到0.62eV。中間層避免了由裸露表面GaAs缺陷態引起的嚴重費米能級釘扎。此外，氧化鋁提高了光子收集效率。直徑為30–140米的器件的暗電流密度約為6mA/cm2。
圖2
使用850奈米單色鐳射測量光學響應(圖2)。鈍化和非鈍化器件具有相似的響應特性。鈍化裝置在降低暗電流方面是優越的。在5V反向偏壓下的響應度高達約0.54A/W。研究人員估計量子效率為85%。不同裝置的響應變化範圍在0.4到0.64瓦之間。研究人員將他們的響應與理論預期的0.41瓦進行了比較，理論預期是基於體GaAs吸收係數。在0.64瓦/瓦裝置上的實驗中測得的約1.55倍增強歸因於該裝置的非體GaAs體中吸收的增加。
在理論計算中，考慮了體GaAs的吸收係數。然而，在異質外延薄膜GaAs結構中，光學引數受到生長條件、層厚度和其下材料的顯著影響。此外，鍺在850奈米是一種高吸收材料。特別是，指出x射線分析顯示鍺層和GaAs層是拉伸應變的。這種應變導致能量帶隙減小，從而增加了對光的吸收。另外1.5%的提高歸因於在/Ge介面反射的光。從光電流和暗電流響應中提取的探測率約為4.6×1010cm-Hz1/2/w。在1V反向偏壓下，結電容約為500fF。
小電容意味著器件的頻寬受到器件上載流子傳輸時間的限制。該團隊估計3dB頻寬最高可達9千兆赫，1V偏置下約為4千兆赫。縮小器件尺寸可能會縮短響應時間，但減少光響應與減少有效面積之間存在權衡。透明電極可以改善這種折衷。
