中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
盡管高性能近紅外（NIR）探測(cè)對(duì)于眾多應(yīng)用至關(guān)重要，但當(dāng)下最先進(jìn)的近紅外探測(cè)器要么在探測(cè)入射光子能力方面存在局限（即光譜響應(yīng)度較差），要么由昂貴且與CMOS不兼容的III-V族材料制成。鍺（Ge）有望同時(shí)具備高性能、低成本和可擴(kuò)展性。更重要的是，鍺材料與CMOS工藝完全兼容，原則上能夠使用現(xiàn)有的CMOS芯片生產(chǎn)線進(jìn)行加工。實(shí)際上，基于鍺的光電二極管已經(jīng)在眾多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。
近日，由芬蘭阿爾托大學(xué)（Aalto University）、芬蘭ElFys公司和德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究所（Physikalisch-Technische Bundesanstalt）組成的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于CMOS兼容的鍺制備的納米工程PIN光電二極管。該器件在室溫零偏置電壓下寬光譜范圍（1200 - 1600 nm）內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)90%的外部量子效率（EQE）。例如，在1550 nm波長(zhǎng)處的響應(yīng)度可達(dá)1.15 A/W。除了在近紅外波段具有出色的光譜響應(yīng)率外，該器件在可見(jiàn)光和紫外線波段仍保持了優(yōu)異性能（在300 nm以下的EQE甚至超過(guò)100%），從而實(shí)現(xiàn)了超寬光譜響應(yīng)范圍。研究人員利用表面納米結(jié)構(gòu)最大限度降低光學(xué)損耗，同時(shí)使用保形原子層沉積（ALD）氧化鋁（Al?O?）進(jìn)行表面鈍化，以及采用基于電介質(zhì)誘導(dǎo)電場(chǎng)的載流子收集取代傳統(tǒng)PN結(jié)來(lái)最大限度減少電損耗，最終實(shí)現(xiàn)了該器件的高性能。這項(xiàng)研究成果以“Near-infrared germanium PIN-photodiodes with >1A/W responsivity”為題發(fā)表在Light: Science & Applications期刊上。
下圖展示了該納米結(jié)構(gòu)鍺光電二極管的橫截面示意圖，該設(shè)計(jì)方案結(jié)合了納米結(jié)構(gòu)的鍺表面、原子層沉積Al?O?表面鈍化以及用于載流子分離和空穴收集的帶負(fù)電荷的Al?O?誘導(dǎo)電場(chǎng)。與傳統(tǒng)的通過(guò)外部摻雜來(lái)形成PN結(jié)的方法不同，這項(xiàng)研究是在鍺納米結(jié)構(gòu)的頂部施加了帶有固定電荷的介電層，從而避免與摻雜相關(guān)的復(fù)合。如果固定電荷與襯底摻雜極性相反，則表面層的載流子將開(kāi)始耗盡，僅留下電離的體摻雜原子。這一過(guò)程導(dǎo)致電荷極性在介電/半導(dǎo)體界面處發(fā)生改變，進(jìn)而在鍺表面產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)。
如下圖所示，研究人員將鍺光電二極管的光子能量轉(zhuǎn)化為電流的能力與波長(zhǎng)變化的函數(shù)關(guān)系圖，即光譜響應(yīng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該光電二極管在紫外波段（UV，200 nm）到近紅外波段（1700 nm）的超寬光譜范圍內(nèi)能夠探測(cè)超過(guò)80%的入射光子（EQE＞80%），甚至在紫外波段，該光電二極管的EQE超過(guò)了100%。
在該研究中，研究人員選擇了三種針對(duì)不同波長(zhǎng)（1300 nm、1550 nm和1750 nm）性能最佳的銦鎵砷（InGaAs）光電二極管、一種其它研究中性能最佳的鍺光電二極管與本研究的納米結(jié)構(gòu)鍺光電二極管進(jìn)行性能比較（如圖2）。研究結(jié)果顯示：（1）關(guān)于光譜響應(yīng)度，納米結(jié)構(gòu)鍺光電二極管的光譜響應(yīng)度顯著高于其它InGaAs光電二極管和鍺光電二極管。（2）關(guān)于暗電流，納米結(jié)構(gòu)鍺光電二極管的暗電流顯著低于其它鍺光電二極管；但由于鍺材料的固有載流子濃度更高，納米結(jié)構(gòu)鍺光電二極管在室溫下的暗電流與InGaAs光電二極管不具備可比性。（3）關(guān)于比探測(cè)率（specific detectivity D*），納米結(jié)構(gòu)鍺光電二極管在峰值響應(yīng)波長(zhǎng)（1650 nm）的比探測(cè)率達(dá)到1.77 × 1011 Jones，顯著優(yōu)于其它鍺光電二極管；但由于暗電流的顯著差異，納米結(jié)構(gòu)鍺光電二極管的比探測(cè)率無(wú)法超越InGaAs器件。
為了詳細(xì)研究納米結(jié)構(gòu)鍺光電二極管表現(xiàn)出高性能的根本原因，研究人員對(duì)納米結(jié)構(gòu)光電二極管的光譜反射率和空間反射率分布進(jìn)行了表征。下圖a展示了納米結(jié)構(gòu)表面從紫外到近紅外波段的反射率都非常低（
為了進(jìn)一步闡明IQE行為，研究人員模擬了納米結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)分布（如下圖a），以及納米結(jié)構(gòu)內(nèi)部的載流子濃度（如下圖c）。
綜上所述，這項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)了一種用于近紅外探測(cè)的新型鍺PIN光電二極管，無(wú)需形成PN結(jié)和抗反射涂層。通過(guò)制備原型器件，研究人員證明了新型鍺PIN光電二極管的潛力，該器件在超寬光譜范圍（200 nm至1700 nm）實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的高光譜響應(yīng)度、高EQE（在83%-125%之間）和低暗電流（在5 V時(shí)達(dá)到76 μA/cm2）。研究發(fā)現(xiàn)，該器件的高性能主要源于以下幾方面：（1）表面納米結(jié)構(gòu)有效降低了反射損耗；（2）集中在表面附近的電介質(zhì)誘導(dǎo)電場(chǎng)顯著提高了內(nèi)部收集效率；（3）通過(guò)保形原子層沉積Al?O?涂層獲得高質(zhì)量的表面鈍化。這項(xiàng)研究提出的新型鍺光電二極管設(shè)計(jì)方案可直接用于最先進(jìn)鍺光電二極管的制備，從而為更高性能的近紅外應(yīng)用提供新的解決方案。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01670-4
