由于CMOS光电探测器存在量子效率低、工作带宽窄等性能问题，为实现更高量子效率的CMOS光电探测器，结合工艺实现性，本文构建了一种新型的SOI CMOS工艺可兼容的光电探测器谐振腔结构。基于底镜采用一层1/4波长(850 nm光波长)奇数倍厚度SiO2，顶镜采用1/4波长偶数倍厚度SiO2的DBR反射镜，形成的SOI基谐振腔结构适用于光通信850 nm光波长的RCE PD器件。数值仿真结果表明，RCE PD器件比CMOS PD器件提高了量子效率，验证了谐振腔结构的正确性。 Due to the functional problems of CMOS photodetectors such as low quantum efficiency, narrow bandwidth and so on, this paper proposed a new resonant cavity structure compatible with SOI CMOS process to fabricate the CMOS photodetector with a higher quantum efficiency based on process optimization. By adopting the SiO2 with the thickness of odd number of a layer of 1/4 wavelength (850 nm optical wavelength) as the bottom DBR mirror, and using the SiO2 mirror with the thickness of an even multiple of 1/4 wavelength as the top DBR mirror, the SOI resonant cavity structure was prepared and demonstrated being suitable for the PD RCE device with the optical communication wavelength of 850 nm. Numerical simulation results showed that the PD RCE device could improve the quantum efficiency effectively compared with the PD CMOS device, which verifies the correctness of the resonant cavity structure.
程彩莉，刘倩文
杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州
收稿日期：2016年11月14日；录用日期：2016年11月28日；发布日期：2016年12月5日
由于CMOS光电探测器存在量子效率低、工作带宽窄等性能问题，为实现更高量子效率的CMOS光电探测器，结合工艺实现性，本文构建了一种新型的SOI CMOS工艺可兼容的光电探测器谐振腔结构。基于底镜采用一层1/4波长(850 nm光波长)奇数倍厚度SiO2，顶镜采用1/4波长偶数倍厚度SiO2的DBR反射镜，形成的SOI基谐振腔结构适用于光通信850 nm光波长的RCE PD器件。数值仿真结果表明，RCE PD器件比CMOS PD器件提高了量子效率，验证了谐振腔结构的正确性。
关键词 :RCE光电探测器，SOI，谐振腔，量子效率
随着光电探测器在光通信系统、成像系统及军事等领域的广泛应用，光电探测器件正向着高灵敏度、高性能和高集成度的方向发展。近年来，一系列高性能的PD (Photodetector)结构被研制出来，实现了很高的响应带宽、量子效率等性能 [
谐振腔增强型光电探测器(resonant cavity enhanced photodetector, RCE PD)的出现，为光电探测器在高量子效率和高响应速度方面提供了一条很好的思路 [
常见的CMOS光电探测器结构如图1所示 [
图2中，反射底镜多层介质膜采用SiO2-Si-SiO2多层薄膜来构成，反射顶镜多层介质膜采用SiO2-Si- SiO2多层薄膜构成，这样可以极大保证反射镜与CMOS工艺的兼容性。置于PD两端的上、下DBR反射镜构成了F-P谐振微腔即RCE光电探测器的谐振腔 [
图1. CMOS PD结构图
图2. 基于SOI CMOS工艺的RCE PD
良好的DBR结构可以有效的提高PD器件性能。DBR反射镜的品质对整个器件的性能有决定性影响，其材料、结构等因素直接决定器件的光谱响应。因此，在DBR的结构优化过程中要考虑反射谱的中心波长与RCE腔的谐振波长是否匹配，以获得合适的反射率保证器件性能。因本文采用的堆栈结构由Si-SiO2
对组成，运用光学传输矩阵法对反射镜的光学特性展开分析研究，矩阵
式中R为反射率，
(2)式膜层的位相厚度是
特征矩阵(nj是j层膜的折射率)。在对反射镜反射率理论分析的基础上，开展对反射底镜和反射顶镜多层介质膜结构分析，包括SiO2-Si-SiO2薄膜层数、薄膜厚度等数值仿真分析。
图3给出单层SiO2作为底镜的反射率与SiO2厚度的数值仿真结果。随SiO2底镜厚度随1/4波长的倍数增加，底镜反射率在1/4波长奇数倍厚度时取到极大值，1/4波长偶数倍厚度时取到极小值，这与单层介质膜的反射率随其光学厚度的变化关系表现的趋势保持一致，但随SiO2底镜厚度增加，中心波长附近的响应谱变窄。图4给出了多层SiO2-Si作为底镜的反射率与SiO2-Si层数的关系。随Si-SiO2对数的增加，反射镜的反射率增加，同时中心波长附近的响应谱变宽。考虑到在DBR反射镜工艺实现过程中，对生长SiO2和Si层的厚度有严格要求,反射镜的每一层在生长过程中都会存在误差，生长的厚度及层表面均匀性、平整性等都是难以得到精确控制。因此，若顶镜和底镜的Si-SiO2层的对数较多，其将对工艺提出更高的要求才可实现，且误差也会加大。本设计主要考虑如何在SOI工艺基本流程不改变的情况下，通过适当改变一些工艺参数，从而达到适合于SOI CMOS工艺的最优化RCE光电探测器结构。综合考虑，本设计中反射底镜在工艺可实现情况下可选取一对Si-SiO2膜。
图5给出单层SiO2作顶镜时，顶镜反射率与单层SiO2厚度的关系。从图5中可看出，1/4、1/2和3/4波长厚度的SiO2反射顶镜的反射率分别为5.4% (850 nm光波长)、30.0%和5.4%。随着SiO2顶镜厚度增加，中心波长附近的响应谱变窄了。由于顶镜上面为空气层，当多层SiO2-Si作顶镜时，需考虑多层结构的最上层既可是SiO2也可是Si材料。图6给出了顶镜反射率与SiO2-Si层数的关系，可看出在中心波长为850 nm处，一对SiO2-Si构成的DBR反射镜为80.1%，比单层SiO2的反射率大大提高，而SiO2-Si-SiO2构成的DBR反射镜的反射率下降至63.4%，多层SiO2-Si结构最上层为1/4波长厚度SiO2会对中心波长的反射率起到抑制作用。考虑到入射光要通过顶镜进入谐振腔，顶镜要具有半反半透的特性，因此反射率不能取太高，这里选择一层SiO2作为顶镜，厚度为1/4波长偶数倍厚度，反射率为30.0%。
由上节可知，RCE PD中DBR反射镜反射率与各层膜厚度、膜层数等有密切的关系。考虑SOI工艺兼容性，本设计中底镜只能采用一层SiO2，所以厚度为1/4波长奇数倍厚度，反射率为47.8% (在850 nm光波长处)；同时选择一层SiO2作为顶镜，厚度为1/4波长偶数倍厚度，反射率为30.0%。该SOI RCE光电探测器的谐振腔示意图如图7所示。
图3. 底镜反射率与单层SiO2厚度关系
图4. 底镜反射率与SiO2-Si对数的关系
图5. 顶镜反射率与单层SiO2厚度关系图
图6. 顶镜反射率与SiO2-Si层数的关系图
图7. 以CMOS为主的CMOS RCE光电探测器的谐振腔结构
量子效率体现了器件光电转换的效率。可以从以下两点提高量子效率：提高耗尽层的吸收效率(如加入谐振腔结构)；增加少子寿命以减少电子空穴对的复合。文中提出了SOI基谐振腔，可以有效的提高耗尽层的吸收效率。通过理论推导和整理，量子效率可表示为
(3)式中β为传输常数；φ1、φ2，r1、r2分别为上、下反射镜的反射相移和反射率；L为吸收层厚度。推导过程忽略了薄膜材料折射率的色散问题以及在谐振腔的不同区域折射率及吸收系数的不同。
以普通CMOS光电探测器为分析对象，进行了有/无谐振腔的性能对比。这里硅膜取186.4 nm (3/4个波长)，埋氧厚度取140 nm (1/4波长)，介质层厚度取280 nm (1/2波长)，耗尽层厚度由标准SOI CMOS工艺掺杂注入确定，不做调整，最大可能性的保证工艺兼容性。图8给出了耗尽层宽度0.03 µm时，(SiO2)- (SiO2)谐振腔PD器件量子效率随波长的关系图。
图8. (SiO2)-( SiO2)谐振腔PD器件量子效率随波长的关系(耗尽层宽度0.03 µm)
| 性能参数 | 耗尽层宽度 | 谐振腔PD器件 | 标准CMOS PD器件 |
|---|---|---|---|
| 量子效率 | 0.03 µm | 0.775 × 10−3 | 1.80 × 10−4 |
| 0.06 µm | 1.5 × 10−3 | 3.60 × 10−4 | |
| 0.09 µm | 2.3 × 10−3 | 5.40 × 10−4 |
表1. RCE PD器件与标准CMOS PD器件性能对比
表1给出谐振腔PD器件与标准CMOS PD器件的量子效率对比数据，其中标准CMOS PD器件和谐振腔PD器件的硅膜CMOS加工工艺一致，可认为两者的工作带宽一致。从表中数据分析可得，谐振腔PD器件比CMOS PD器件的量子效率提高了五倍左右，实现了谐振腔PD器件相较于标准CMOS PD器件提高光电探测器量子效率的性能，证明了谐振腔结构的正确性。
本文提出了一种新型的SOI CMOS工艺可兼容的(SiO2)-(SiO2)谐振腔结构。利用不同厚度的SiO2薄膜作为DBR反射镜构建谐振腔结构的物理模型，通过理论仿真计算了其反射率特性和量子效率。在考量工艺实现性的基础上，最终确定器件结构为：底镜采用一层1/4波长(850 nm光波长)奇数倍厚度SiO2，顶镜采用1/4波长偶数倍厚度SiO2，该新型的SOI基谐振腔可用于实现高量子效率的SOI基RCE光电探测器。数值仿真结果表明基于优化DBR结构的RCE PD器件比CMOS PD器件的量子效率提高了五倍左右，验证了谐振腔结构的正确性。
尽管RCE PD比普通PD有优势，但在实际应用中仍有缺陷，主要原因有以下两点：1) 近年研究成果显示，现有的RCE PD已具备高响应度、结构紧凑等特性，但仍有部分特性没有很好体现；2) 高性能RCE光电探测器成本高昂，制作工艺难度比较大，难以实现商业集成化生产。这些问题及挑战构成了RCE光电探测器研究的重点。因此，本文对RCE PD的材料、结构及工艺实现等特性的进一步分析研究具有一定的指导和现实意义。
程彩莉,刘倩文. SOI基RCE光电探测器谐振腔结构的设计与优化Design and Optimization of Resonant Cavity Structure of SOI-Based RCE Photodetectors[J]. 光电子, 2016, 06(04): 131-138. http://dx.doi.org/10.12677/OE.2016.64019