超低暗電流高性能近紅外硅基光電探測(cè)器研究獲新進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】以光為信息載體實(shí)現(xiàn)通信的光通信技術(shù)，憑借優(yōu)異的速度傳輸性能和強(qiáng)大的信息容量成為現(xiàn)代社會(huì)重要的技術(shù)之一。其中硅光子學(xué)，與成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)制造工藝兼容，并且伴隨著各類(lèi)有源、無(wú)源的硅基光子器件的實(shí)現(xiàn)逐漸成為短程光通信中具前景的技術(shù)。
 

　　執(zhí)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換的光電探測(cè)器是光電鏈路的基本組成部分之一，雖然硅基光電探測(cè)器廣泛應(yīng)用于可見(jiàn)光譜范圍(0.4-0.7 μm)，但通訊窗口1.31 μm和1.55 μm的近紅外光子能量并不足以克服Si帶隙(1.12 eV)誘導(dǎo)光生電流，因此如何實(shí)現(xiàn)硅基探測(cè)器1.1 μm以上的近紅外探測(cè)仍然是發(fā)展單片光電集成技術(shù)所面臨的難題。
 

　　近年來(lái)，硅基肖特基二極管基于獨(dú)特的內(nèi)光電發(fā)射機(jī)制備受關(guān)注，它能在室溫下探測(cè)到能量低于硅帶隙的光，且材料結(jié)構(gòu)和制造工藝簡(jiǎn)單廉價(jià)，有可能滿(mǎn)足純硅近紅外光電探測(cè)器的需要。然而傳統(tǒng)的金屬-硅結(jié)構(gòu)探測(cè)器存在響應(yīng)低的缺陷，用透明導(dǎo)電玻璃(ITO)代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬可以有效改善器件響應(yīng)度，但也面臨暗電流過(guò)大的問(wèn)題，嚴(yán)重影響探測(cè)器的靈敏度。如何保證探測(cè)器對(duì)所需波長(zhǎng)有響應(yīng)并且有足夠的響應(yīng)，同時(shí)進(jìn)一步降低器件暗電流提升其靈敏度，是實(shí)現(xiàn)高性能近紅外硅基探測(cè)器的關(guān)鍵。
 

　　近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心清潔能源實(shí)驗(yàn)室研究人員通過(guò)在硅襯底上制備納米級(jí)的Au薄膜和ITO電極(圖1)，在硅基肖特基光電探測(cè)器研究方面取得進(jìn)展。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高功函數(shù)Au的加入有效提高了肖特基勢(shì)壘高度從而極大地抑制了器件暗電流，-1 V下的暗電流密度為3.7×10-7 A/cm2，比無(wú)Au插入的ITO/n-Si器件暗電流密度降低了7000多倍，±1V下的整流比高達(dá)1.5×108，這是硅基肖特基紅外探測(cè)器目前所報(bào)道的好結(jié)果(圖2)。
 

圖1. ITO/Au/n-Si 肖特基光電探測(cè)器工藝流程示意圖
 

　　圖2. (a)線(xiàn)性坐標(biāo)(b)半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下0 nm和6 nm Au肖特基光電探測(cè)器暗態(tài)室溫J-V特性(c)6 nm Au探測(cè)器J-V溫度依賴(lài)特性(d)Ln(J/T2)和1000/T關(guān)系圖(e)1310 nm(f)1064 nm激光下室溫光、暗態(tài)J-V特性。
 

　　同時(shí)基于Au是延展性好的金屬，進(jìn)一步減小中間插入層Au的厚度，結(jié)果顯示2 nm Au插入層能在保障器件暗電流性能的前提下明顯地提升響應(yīng)度，從而得到更高的光/暗電流比，大幅改善硅基肖特基光電探測(cè)器的整體性能(圖3)。
 

　　圖3. (a) 2-6 nm Au肖特基光電探測(cè)器暗態(tài)室溫J-V特性(b) 0-6 nm Au肖特基光電探測(cè)器Ln(J/T2)和1000/T關(guān)系圖(c) 零偏壓下1100-1700 nm器件光響應(yīng) (d) 1310 nm激光下器件光電流隨偏壓變化(f)1310 nm激光下器件-1V下的暗電流、光電流以及光/暗電流之比。
 

　　該工作作為一種具有低暗電流密度的硅基紅外光電探測(cè)器將為實(shí)現(xiàn)光通信中單片集成純硅光電探測(cè)器提供重要借鑒，期待未來(lái)在可見(jiàn)光至1.55 μm甚至更長(zhǎng)波段的光譜探測(cè)方面有重要應(yīng)用。
 

　　該研究結(jié)果近日以“Hybrid Nano-Scale Au with ITO structure for High-Performance Near-Infrared Silicon-based Photodetector with ultralow dark current”為題發(fā)表在Photonics Research上，論文鏈接為：https://doi.org/10.1364/PRJ.398450。相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。