中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
硅光子學(xué)已被廣泛探索用于許多包括光通信、光電計(jì)算、光譜學(xué)和圖像傳感的各類(lèi)應(yīng)用。作為這些應(yīng)用中的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換關(guān)鍵部件，硅基紅外光電探測(cè)器引起了廣泛的關(guān)注。
近日，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所（簡(jiǎn)稱(chēng)“上海技物所”）和國(guó)科大杭州高等研究院的科研團(tuán)隊(duì)提出一種采用面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)（IPTS）的全硅光電探測(cè)器設(shè)計(jì)，以提高探測(cè)效率并提高了光電探測(cè)器在超長(zhǎng)波紅外（VLWIR）波段的工作溫度。這種新穎的全硅光電器件架構(gòu)，為提高寬帶超長(zhǎng)波紅外器件的工作溫度和靈敏度提供了很有前途的解決方案，使整個(gè)系統(tǒng)更加緊湊且具有成本效益。這項(xiàng)研究以“All-Silicon Broadband Infrared Photodetectors With In-Plane Photon Trapping Structures”為題發(fā)表在Advanced Materials期刊上。
全硅超長(zhǎng)波紅外光電探測(cè)器采用CMOS兼容的設(shè)計(jì)和制造方案，旨在促進(jìn)大規(guī)模集成的同時(shí)利用成熟的硅工藝實(shí)現(xiàn)成本降低。圖1a為全硅光電探測(cè)器的示意圖，該探測(cè)器具備由面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)集成的薄吸收器。
圖1 超長(zhǎng)波紅外波段面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器的設(shè)計(jì)和機(jī)制
為了評(píng)估面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器的增強(qiáng)性能，研究人員采用了有限差分時(shí)域（FDTD）方法來(lái)模擬每個(gè)器件，圖 2a展示了面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器和平面光電探測(cè)器的模擬吸光度。
圖2 面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器架構(gòu)的實(shí)驗(yàn)外部量子效率和模擬吸光度
在面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器中，周期性空穴陣列抑制了與器件物理尺寸相關(guān)的暗電流分量。圖3a為面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器的噪聲源與其有效物理面積成正比。預(yù)計(jì)面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)器件中與同結(jié)相關(guān)的暗電流分量將部分減少（如圖3b）。相關(guān)結(jié)果顯示，與平面器件中相比，面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)器件中的主要暗電流顯著減少。
圖3 面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器在黑暗條件下的光電特性
最后，研究人員對(duì)面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器與其他傳統(tǒng)光電探測(cè)器的性能做了對(duì)比，相關(guān)結(jié)果如圖4所示。結(jié)果顯示，面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器在12 μm至19 μm的寬帶范圍內(nèi)探測(cè)能力顯著增強(qiáng)，凸顯了該器件及其架構(gòu)在紅外成像應(yīng)用中的巨大潛力。
圖4 面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器與傳統(tǒng)光電探測(cè)器的超長(zhǎng)波紅外波段性能比較
綜上所述，這項(xiàng)研究提出了一種在超長(zhǎng)波紅外波段具有高靈敏度的全硅面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器。面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)引導(dǎo)橫向光子模式，同時(shí)減少傳輸能量損失，在統(tǒng)一功能區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)集成光場(chǎng)調(diào)制和光電交互。該架構(gòu)具備高度通用性，可以應(yīng)用于其他材料系統(tǒng)或擴(kuò)展到光電器件中更長(zhǎng)的波段（例如太赫茲波段）。由于與成熟的硅光子學(xué)工藝平臺(tái)完全兼容，該研究實(shí)現(xiàn)了低暗電流和高效光電探測(cè)器架構(gòu)的集成，為新一代高靈敏度和高工作溫度的超長(zhǎng)波紅外光電探測(cè)器鋪平了道路，可應(yīng)用領(lǐng)域包括傳感、大范圍成像和紅外天文學(xué)應(yīng)用等。
