超低暗電流高性能近紅外矽基光電探測器研究獲進展

以光為信息載體實現通信的光通信技術，憑藉優異的速度傳輸性能和強大的信息容量成為現代社會最重要的技術之一。其中矽光子學，與成熟的互補金屬氧化物半導體（CMOS）製造工藝兼容，並且伴隨著各類有源、無源的矽基光子器件的實現逐漸成為短程光通信中最具前景的技術。

執行光電信號轉換的光電探測器是光電鏈路的基本組成部分之一，雖然矽基光電探測器廣泛應用於可見光譜範圍（0.4-0.7 μm），但通訊窗口1.31 μm和1.55 μm的近紅外光子能量並不足以克服Si帶隙（1.12 eV）誘導光生電流，因此如何實現矽基探測器1.1 μm以上的近紅外探測仍然是發展單片光電集成技術所面臨的難題。

近年來，矽基肖特基二極體基於獨特的內光電發射機製備受關注，它能在室溫下探測到能量低於矽帶隙的光，且材料結構和製造工藝簡單廉價，有可能滿足純矽近紅外光電探測器的需要。然而傳統的金屬-矽結構探測器存在響應低的缺陷，用透明導電玻璃（ITO）代替傳統金屬可以有效改善器件響應度，但也面臨暗電流過大的問題，嚴重影響探測器的靈敏度。如何保證探測器對所需波長有響應並且有足夠的響應，同時進一步降低器件暗電流提升其靈敏度，是實現高性能近紅外矽基探測器的關鍵。

近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心清潔能源實驗室研究人員通過在矽襯底上製備納米級的Au薄膜和ITO電極（圖1），在矽基肖特基光電探測器研究方面取得進展。實驗結果表明，高功函數Au的加入有效提高了肖特基勢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3.7×10-7A/cm2，比無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1.5×108，這是矽基肖特基紅外探測器目前所報導的最好結果（圖2）。

圖1 ITO/Au/n-Si 肖特基光電探測器工藝流程示意圖

圖2 (a)線性坐標(b)半對數坐標下0 nm和6 nm Au肖特基光電探測器暗態室溫J-V特性(c)6 nm Au探測器J-V溫度依

同時基於Au是延展性最好的金屬，進一步減小中間插入層Au的厚度，結果顯示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度，從而得到更高的光/暗電流比，大幅改善矽基肖特基光電探測器的整體性能（圖3）。

圖3 (a) 2-6 nm Au肖特基光電探測器暗態室溫J-V特性(b) 0-6 nm Au肖特基光電探測器Ln（J/T2）和1000/T關係

該工作作為一種具有低暗電流密度的矽基紅外光電探測器將為實現光通信中單片集成純矽光電探測器提供重要借鑑，期待未來在可見光至1.55 μm甚至更長波段的光譜探測方面有重要應用。

該研究結果近日以「Hybrid Nano-Scale Au with ITO structure for High-Performance Near-Infrared Silicon-Based Photodetector with ultralow dark current」為題發表在Photonics Research上，論文連結為：https://doi.org/10.1364/PRJ.398450。相關工作得到了國家自然科學基金的支持。