硅基異質(zhì)結(jié)中波紅外光電探測器的研究進(jìn)展

摘 要：""""" 中波紅外光電探測器是一種重要的光電探測設(shè)備， 利用光電效應(yīng)將紅外輻射轉(zhuǎn)化為電信號(hào)， 廣泛應(yīng)用于制導(dǎo)、 無人機(jī)、 戰(zhàn)斗機(jī)等平臺(tái)， 在目標(biāo)探測、 跟蹤和識(shí)別方面有著重要作用。 而硅基異質(zhì)結(jié)中波紅外光電探測器以硅材料為基礎(chǔ)， 結(jié)合了成熟的硅器件工藝和紅外探測性能， 具有低成本、 易制備、 高集成等優(yōu)勢， 成為突破傳統(tǒng)硅基光電子器件瓶頸的契機(jī)。 隨著研究的不斷進(jìn)步， 硅基異質(zhì)結(jié)中波紅外光電探測器在各個(gè)方面都取得了很大的進(jìn)展， 為紅外光電探測技術(shù)帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。 本文從不同材料的硅基異質(zhì)結(jié)進(jìn)行了討論， 具體闡述了新型鍺/硅， 石墨烯/硅和化合物半導(dǎo)體/硅中波紅外光電探測器的研究發(fā)展， 分析對比了不同材料的探測器的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞："""" 半導(dǎo)體器件； 光電器件； 探測器； 中波紅外； 硅基異質(zhì)結(jié)

中圖分類號(hào)：""""" TJ760； TN215

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：""" A

文章編號(hào)："""" 1673-5048（2024）06-0036-08

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2024.0164

0 引" 言

在中紅外光譜范圍內(nèi)工作的硅基集成光子電路是檢測和識(shí)別化學(xué)和生物物質(zhì)的重要技術(shù)， 可用于在各種應(yīng)用中檢測微量有害和有毒物質(zhì)， 包括環(huán)境監(jiān)測、 危害檢測、 工業(yè)過程控制和醫(yī)療診斷^［1-5］。 中波紅外光電探測器在軍事航空領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。 該探測器具有優(yōu)秀的紅外成像能力， 靈敏度高， 能夠穿透煙霧、 霧霾等復(fù)雜環(huán)境， 識(shí)別并追蹤目標(biāo)， 提供精準(zhǔn)的目標(biāo)信息， 在制導(dǎo)系統(tǒng)中， 可以確保導(dǎo)彈和火箭在惡劣的天氣下也能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)打擊， 提高命中率， 增強(qiáng)作戰(zhàn)能力， 是紅外制導(dǎo)的關(guān)鍵部分。 同時(shí)， 該探測器在無人機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)上擔(dān)任著夜視、 偵察、 識(shí)別和跟蹤等任務(wù)， 提高了作戰(zhàn)的安全性和隱蔽性。 此外， 該探測器還能用于紅外搜索， 探測并跟蹤敵方飛機(jī)等熱源， 為軍事偵察和防御提供了有力支持。 近年來， 集成了完整光學(xué)功能的中紅外光子電路引起了人們極大的興趣， 探索了許多用來開發(fā)基于硫化物玻璃^［6-8］、 量子級(jí)聯(lián)激光器^［9-10］和硅光子學(xué)的集成中紅外傳感平臺(tái)的方案^［11-14］。 其中， 中紅外硅光子學(xué)的優(yōu)勢在于能利用基于微電子集成電路的大量制造技術(shù)來提供可靠且具有成本效益的解決方案。

傳統(tǒng)的中波紅外探測器主要基于化合物半導(dǎo)體材料， 如HgCdTe， InGaAs， InSb 等。 HgCdTe是目前最主要的探測器材料， 具有響應(yīng)速度快、 量子效率高、 帶隙可調(diào)整、 噪聲小的優(yōu)點(diǎn)， 但是在實(shí)現(xiàn)紅外探測器方面也有許多問題。 HgCdTe探測器是通過調(diào)整Cd的組分來控制響應(yīng)波長的， 要求精確的組分控制， 難度較高； HgCdTe探測器的最適宜工作溫度是77 K， 且具有較弱的Hg-Te鍵， 在高溫和其他復(fù)雜環(huán)境下性能不穩(wěn)定； HgCdTe探測器的制備與Si基集成電路工藝不匹配， 需要復(fù)雜的制備工藝， 制造成本較高^［15］。 InGaAs， InSb等Ⅲ-Ⅴ族材料具有成熟的外延生長技術(shù)， 能制造出優(yōu)秀的量子阱和超晶格結(jié)構(gòu)， 使探測器獲得優(yōu)異的性能。 InSb探測器在中紅外波段有較高的吸收系數(shù)， 響應(yīng)度快， 靈敏度高， 但I(xiàn)nSb器件必須在77 K溫度下工作， 需要提供制冷環(huán)境， 增加了制造成本， 并且對高溫下工作的InSb探測器需求越來越高， 高溫會(huì)導(dǎo)致暗電流增加； InGaAs探測器光電轉(zhuǎn)化效率高， 響應(yīng)度快， 外延生長均勻性好， 有著成

熟的制備工藝， 抑制該探測器發(fā)展的主要問題是外延層與襯底之間的晶格失配， 這會(huì)影響生長高質(zhì)量外延層， 影響探測器的性能^［16］。 而硅基異質(zhì)結(jié)中波紅外光電探測器以硅材料為基礎(chǔ)， 結(jié)合了硅器件工藝的成熟性和紅外探測的性能要求， 具有探測范圍廣、 制造成本低、 制備工藝簡單、 易于集成等優(yōu)勢。 硅基異質(zhì)結(jié)中波紅外光電探測器的研究旨在通過引入其他材料或結(jié)構(gòu)， 在硅基材料上實(shí)現(xiàn)紅外波段的探測。 常見的方法包括利用量子結(jié)構(gòu)、 納米材料或光學(xué)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)等， 這些方法可以在硅基材料上實(shí)現(xiàn)紅外光電探測， 并且具有較高的靈敏度、 快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)， 有望推動(dòng)硅基紅外探測技術(shù)的發(fā)展， 拓展其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

在中紅外波段實(shí)現(xiàn)硅基異質(zhì)結(jié)探測器也有一定的困難。 首先， 由于硅材料本身的缺點(diǎn)， 探測波長小于1.1 μm， 需要選擇與硅兼容的材料， 調(diào)節(jié)帶隙使探測器能夠探測更長的波長范圍； 其次， 硅和各種材料之間的晶格常數(shù)并不是完全匹配， 在硅襯底上外延生長其他材料時(shí)， 容易導(dǎo)致晶格失配， 產(chǎn)生缺陷； 此外， 有些中波紅外探測器結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 要求精密的制備工藝， 如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的外延生長技術(shù)是關(guān)鍵； 最后， 探測器的靈敏度和響應(yīng)速度相矛盾， 提高靈敏度會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)速度的降低， 因此， 如何平衡靈敏度和響應(yīng)速度也是一個(gè)重要的考慮因素。

本文從不同材料的硅基異質(zhì)結(jié)進(jìn)行討論， 具體闡述了新型鍺/硅， 石墨烯/硅和化合物半導(dǎo)體/硅基異質(zhì)結(jié)中波紅外光電探測器近年來的研究發(fā)展， 分析對比了不同材料的探測器的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 鍺探測器

一般來說， SOI平臺(tái)的固有缺點(diǎn)是Si不能吸收波長超過1.1 μm的光， 特別是對于重要的O到U光通信波段有很大的限制^［17-20］。 而鍺的吸收波長覆蓋了2～15 μm范圍， 截止波長可達(dá)15 μm， 是用來擴(kuò)展硅基探測器吸收波長的理想材料^［21］。 盡管Ge與Si的晶格失配很大， 利用MBE和CDV等技術(shù)可以在Si襯底上外延生長Ge薄膜。 鍺光電探測器目前被認(rèn)為是硅光子器件庫中成熟的基本構(gòu)建模塊， 在過去的幾十年里， 基于Ge的波導(dǎo)光電探測器^［22-25］已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展， 其具有優(yōu)秀的性能特征， 可與通常用于光通信元件的III-V族半導(dǎo)體所實(shí)現(xiàn)的性能特征相媲美。 一些研究小組已經(jīng)制作了新型鍺硅波導(dǎo)光電探測器， 改進(jìn)了光電探測器的特性。

2022年， Nguyen等提出了一種肖特基二極管SiGe中波紅外光電探測器^［26］， 如圖1所示。 集成光二極管基于生長在n摻雜Si襯底上的折射率沿垂直方向線性增加的SiGe波導(dǎo)， 波導(dǎo)寬度為6 μm， 蝕刻深度為5.5 μm， 通過一個(gè)嵌入式肖特基二極管收集產(chǎn)生的光電流。 該光電探測器在室溫下工作， 波長在5～8 μm之間， 內(nèi)部響應(yīng)度高達(dá)0.1 mAW^-1， 工作脈沖短至50 ns， 這是高速工作的良好指標(biāo)， 工作頻率至少可達(dá)20 MHz。 這種集成光電探測器可以對芯片上的光監(jiān)測產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。

2023年， Nguyen等提出一種使用pin二極管的波導(dǎo)型集成SiGe中波紅外光電探測器^［27］， 如圖2所示。 在非摻雜Si襯底上外延生長3 μm厚的Si0.6Ge0.4層， 然后是3 μm厚的漸變Si1-xGex層。 在該漸變層中， SiGe合金中Ge的分?jǐn)?shù)x從40%線性增加到100%。 最后在該結(jié)構(gòu)的頂部生長2 μm厚的Si0.3Ge0.7層， 有效地將光模限制在光子波導(dǎo)內(nèi)并遠(yuǎn)離上部金屬部分。 在集成波導(dǎo)中嵌入pin垂直二極管， 利用自由載流子等離子體色散效應(yīng)， 從底部開始的第一個(gè)1 μm厚的Si0.6Ge0.4層被磷重?fù)诫s， 形成N型區(qū)域， 摻雜濃度為1×10¹⁸ cm^-3； 上面300 nm厚的Si0.3Ge0.7層被硼重?fù)诫s， 形成P型區(qū)域， 摻雜濃度為5×10¹⁸ cm^-3。 通過實(shí)驗(yàn)可知， 該器件脈沖頻率為100 kHz， 占空比為5%， 3 dB帶寬為32 MHz， 在5.2～10 μm波長范圍內(nèi)可以觀察到光生電流， 內(nèi)部響應(yīng)度范圍為0.5～1.6 mA/W。 該響應(yīng)率遠(yuǎn)高于之前報(bào)道的肖特基二極管SiGe光電探測器實(shí)現(xiàn)的響應(yīng)率^［27］， 為未來完全集成的中波紅外光電探測器提供了希望。

2023年， Kumar 等提出一種能夠工作在中紅外波段的高性能的晶格匹配SiGeSn /GeSn/SiGeSn異質(zhì)結(jié)雙極型光電晶體管（HPT）和pin光電二極管， 其生長在無應(yīng)變SiGeSn虛擬襯底上^［28］， 如圖3所示。 為了實(shí)現(xiàn)無應(yīng)變結(jié)構(gòu)， 研究團(tuán)隊(duì)嚴(yán)格遵循SiGeSn/GeSn/SiGeSn異質(zhì)界面處的晶格匹配原則， 減少了器件內(nèi)部的界面缺陷與狀態(tài)， 確保各層材料擁有相同的晶格常數(shù)。 通過調(diào)整Si與Sn的合金化比例， 成功生長出晶格完美匹配的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。 利用有限元方法， 對器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬， 在λ=2 000 nm處， 無應(yīng)變HPT的響應(yīng)度和帶寬分別為28.5 A/W和29.5 GHz， pin PD的響應(yīng)度和帶寬分別為0.97 A/W和91.22 GHz。 此外， 所提出的無應(yīng)變HPT和pin PD的信噪比（SNR）高達(dá)68.4 dB和31.8 dB， 工作頻率也達(dá)到10 GHz。 這些值高于以前報(bào)道的結(jié)果， 因此， 采用晶格匹配的SiGeSn/GeSn/SiGeSn異質(zhì)結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)和制造用于MWIR應(yīng)用（傳感、 成像和光纖電信網(wǎng)絡(luò)）的高性能檢測器。

表1總結(jié)了近年來鍺/硅中波紅外光電探測器的性能參數(shù)^［26-31］。 可以看出， 文獻(xiàn)［28］提出的高性能的晶格匹配SiGeSn/GeSn/SiGeSn異質(zhì)結(jié)雙極型光電晶體管（HPT）和pin光電二極管響應(yīng)度最高， 其光學(xué)響應(yīng)度隨著反向偏壓的增加而增加， 其原因是由于電流是由自由電子從發(fā)射極注入到基極區(qū)占主導(dǎo)地位。 SiGeSn/GeSn HPT具有28.15 A/W的模擬光學(xué)響應(yīng)度， SiGeSn/GeSn pin PD在反向偏壓為1 V時(shí)具有0.97 A/W的響應(yīng)度， 相比之下， 由于SiGeSn/GeSn HPT的電流增益， 其響應(yīng)度顯著高于SiGeSn/GeSn pin PD。 由此可見， 增加的光吸收、 改善的電流增益和降低的暗電流共同作用， 能夠進(jìn)一步提高器件的響應(yīng)度。 文獻(xiàn)［29］提出的硅基GeSn異質(zhì)結(jié)光電晶體管探測器在較高溫度下的探測率表現(xiàn)出優(yōu)異的性能， 由于光譜響應(yīng)度的增加， 器件的探測率和響應(yīng)時(shí)間都隨著工作溫度的增加而增加， 與現(xiàn)有的PD相比， 該器件具有高探測率、 高靈敏度和低響應(yīng)時(shí)間。

上述鍺/硅中波紅外光電探測器有著優(yōu)異的性能， 但是在生長過程中也有一些缺陷。 由于鍺和硅的晶格常數(shù)不同， 將鍺直接生長在硅上會(huì)存在4.2%的晶格失配的問題， 導(dǎo)致位錯(cuò)和應(yīng)力， 增加暗電流， 從而降低了探測器的信噪比和探測能力， 可以通過生長合金作為緩沖層， 調(diào)整晶格常數(shù)來實(shí)現(xiàn)晶格匹配， 消除錯(cuò)位； 由于鍺和硅的熱膨脹系數(shù)不同， 在生長和冷卻的過程中會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)變， 導(dǎo)致材料的性質(zhì)變化和器件的性能降低， 可以在鍺和硅之間引入具有不同熱膨脹系數(shù)的材料實(shí)現(xiàn)熱應(yīng)變平衡， 或者使用熱導(dǎo)率高的材料、 優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)促進(jìn)散熱。

2 石墨烯探測器

石墨烯由于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和多功能的電子和光學(xué)性質(zhì)， 在高性能光電子器件的開發(fā)中受到極大關(guān)注， 已成為研究最廣泛的2D材料^［32-34］。 特別是石墨烯表現(xiàn)出超高的載流子遷移率， 在低溫下達(dá)到 2×10^-5 cm2/Vs^［35］， 極大地促進(jìn)了載流子的輸運(yùn)， 并且單層石墨烯在 400～800 nm 波長范圍內(nèi)僅吸收 2.3%的入射光^［36］。 此外， 石墨烯還具有高導(dǎo)電性的半金屬功能^［37-38］。 這種低光吸收和高導(dǎo)電性的獨(dú)特結(jié)合使石墨烯成為潛在的透明電極^［39-40］。 因此， 可以通過將石墨烯轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體上來形成肖特基結(jié)光電二極管， 這為太陽能電池二極管器件、 光電探測器和傳感器提供了有利平臺(tái)。

2019年， Liu 等提出一種基于石墨烯-石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)光電子效應(yīng)的紅外探測器， 原位生長的石墨烯納米球（GNW）集成在硅襯底上與Au納米粒子接口^［41］， 如圖4所示。 由于GNWs的強(qiáng)紅外吸收和熱載流子弛豫過程， 制備的GNWs/Au/Si異質(zhì)結(jié)的光暗比為2×104， 在1 550 nm和3.5 μm處的響應(yīng)度分別為138 mA/W和0.44 μA/W， 線性動(dòng)態(tài)范圍為89.7 dB。 在室溫下， 1 550 nm處偏置電壓為-1 V處和基于噪聲的探測率分別為1.4×10¹⁰ cm·Hz^1/2/W和1.6×109 cm·Hz^1/2/W， 上升時(shí)間為370 μs， 下降時(shí)間為510 μs， 在中紅外波段也檢測到明顯的光響應(yīng)， 達(dá)到0.44 μA/W。 該器件在硅兼容的紅外光電探測器中具有最好的性能， 不需要任何復(fù)雜的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

2020年， Li 等提出一種石墨烯透明電極寬帶InSb/Si異質(zhì)結(jié)光電探測器^［42］， 如圖5所示。 采用一步蒸發(fā)鍍膜法在硅片上成功生長了InSb薄膜， 并制作了室溫下工作的InSb/Si異質(zhì)結(jié)光電探測器。 為了提高其性能， 在InSb層上轉(zhuǎn)移了一層石墨烯（Gr）作為透明電極來收集電子并增加電導(dǎo)率， 并制作了Gr/InSb/Si光電探測器。 通過對InSb/Si， Gr/InSb/Si， Gr/Si幾種不同結(jié)構(gòu)器件性能的比較， 發(fā)現(xiàn)Gr/InSb/Si結(jié)構(gòu)的器件性能最好。 該光電探測器表現(xiàn)出高性能的寬帶光響應(yīng)， 光電流增加了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上， 探測率為1.9×10¹² cm·Hz ^1/2/W， 響應(yīng)度為132 mA/W， 開/關(guān)比為1×105， 上升時(shí)間為2 μs， 3 dB截止頻率為172 kHz， 響應(yīng)波長覆蓋635 nm， 1.55 μm和2.7 μm， 證明了石墨烯作為透明電極對提高硅基化合物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)光電探測器的性能有很大的作用。

2022年， Peng 等提出一個(gè)宏觀組裝的石墨烯（nMAG）納米膜/硅異質(zhì)結(jié)的超快中波紅外光電探測器^［43］， 如圖6所示。 該肖特基二極管在室溫下工作于1.5～4.0 μm波長范圍內(nèi)， 在脈沖激光作用下， 響應(yīng)速度較快， 僅有20～30 ns， 探測率也高達(dá)1.6×10¹¹～1.9×109 cm·Hz^1/2/W， 比單層石墨烯/硅光電探測器性能高2～8個(gè)數(shù)量級(jí)。 nMAG首次推動(dòng)了PTI效應(yīng)在實(shí)際器件中的應(yīng)用， 極大地?cái)U(kuò)展了肖特基二極管的半導(dǎo)體探測波長。 該探測器的提出開辟了從宏觀缺陷到高性能光電子器件的新途徑， 提供了一條在室溫下開發(fā)低成本和大規(guī)模寬帶石墨烯基光探測器的可行途徑。

表2總結(jié)了近年來石墨烯/硅中波紅外光電探測器的性能參數(shù)^［41-46］。 可以看出， 文獻(xiàn)［45］提出的石墨烯/HfO2/Si光電探測器通過簡單施加較高的偏置電壓， 實(shí)現(xiàn)了較高的光響應(yīng)性， 達(dá)到了5 360 mA/W， 并且證實(shí)了可以使用柵極電壓和偏置電壓來有效地調(diào)諧器件的光響應(yīng)性。 文獻(xiàn)［42］提出的石墨烯透明電極寬帶InSb/Si異質(zhì)結(jié)光電探測器的探測率高達(dá)1.9×10¹² "cm·Hz ^1/2/W。 這是由于在InSb/Si器件的表面添加了一層石墨烯， 具有高載流子遷移率、 良好的導(dǎo)電性等優(yōu)良特性， 其大部分載流子是由于摻雜襯底吸附空氣中的氧和分子而引起的空穴， 這一添加導(dǎo)致光電流的顯著增加， 以及響應(yīng)時(shí)間的減少。 因此， 所得器件的響應(yīng)率和探測率提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

對于石墨烯/硅中波紅外光電探測器而言， 雖然擁有高載流子遷移率、 較寬的光譜吸收范圍和靈活的能帶結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢， 但是這也會(huì)導(dǎo)致其對特定波長的選擇性較差， 難以滿足高精度探測的需求， 靈敏度降低； 同時(shí)， 石墨烯與硅接觸時(shí)， 界面態(tài)和表面缺陷可能導(dǎo)致載流子復(fù)合的增加， 探測器的光生載流子減少， 響應(yīng)度降低， 量子效率也會(huì)受到影響； 并且在長期使用過程中， 水分和氧氣等會(huì)影響到探測器， 導(dǎo)致性能下降。 因此， 可以引用其他二維材料形成復(fù)合異質(zhì)結(jié)， 或者增加納米結(jié)構(gòu)， 來提高靈敏度和響應(yīng)度； 通過優(yōu)化制備工藝和封裝技術(shù)， 保護(hù)探測器， 減少環(huán)境因素對器件性能的影響， 提高穩(wěn)定性。

3 化合物半導(dǎo)體探測器

除了鍺和石墨烯這種應(yīng)用廣泛的材料之外， 還有一些材料如MoS2， Bi2Se3， Ⅲ-Ⅴ族化合物等能夠與硅形成異質(zhì)結(jié)來制造中波紅外光電探測器， 這些材料具有優(yōu)異的光學(xué)性能和電學(xué)性能， 能夠?qū)崿F(xiàn)高效的光電轉(zhuǎn)換。

2018年， Chen 等提出第一個(gè)硅基InAs/InGaAs/GaAs量子阱（DWSLL）中波紅外探測器^［47］， 如圖7所示。 該探測器在InAs基量子點(diǎn)紅外探測器中引入DWELL結(jié)構(gòu)， 可使載流子壽命延長至1.52 ns， 暗電流密度降低3個(gè)數(shù)量級(jí)， 在77 K溫度下， 1 V偏壓時(shí)， 獲得了2.03×10^-3 mA/cm2的低暗電流密度； 在2 V偏壓時(shí)， 器件對6.4 μm波長的響應(yīng)峰值為10.9 mA/W， 探測率為5.78×108 cm·Hz ^1/2/W。 研究者將這種生長在III-V族襯底Si基DWELL器件與以前的DWELL光電探測器進(jìn)行了比較， 結(jié)果表明， 這種器件在未來的中紅外硅光子學(xué)和低成本焦平面應(yīng)用中是非常有前途的。

2019年， Bablich等提出一種用于擴(kuò)展紅外探測的少層MoS2/a-Si： H異質(zhì)結(jié)pin光電二極管^［48］， 如圖8所示。 通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PE-CVD）技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)了垂直非晶硅（a-Si： H）光電二極管上大規(guī)模、 均勻的少層二硫化鉬（FL-MoS2）薄膜的合成與轉(zhuǎn)移， 成功將該FL-MoS2薄膜集成至非晶硅（a-Si： H）pin結(jié)構(gòu)光電探測器之中。 MoS2將探測器帶寬從光學(xué)范圍擴(kuò)展到中紅外， 最小可達(dá)2 120 nm， 在800 nm以上具有幾乎恒定的響應(yīng)度。 這種新型探測器具有超過6個(gè)月的長期穩(wěn)定性， 并且在紅外范圍（λ = 2 120 nm）內(nèi)的靈敏度優(yōu)于傳統(tǒng)的硅基pin光電探測器， 響應(yīng)度高達(dá)50 mAW^-1， 光電探測率可達(dá)2×10¹⁰ cm·Hz^1/2/W， 波長為2 120 nm時(shí)外量子效率為1.3%， 還具有在不同光譜范圍之間切換偏置相關(guān)響應(yīng)度的附加功能。

2020年， Wu 等首次開發(fā)了一種基于PdSe2/Si納米線陣列（SiNWA）異質(zhì)結(jié)構(gòu)的自驅(qū)動(dòng)、 高偏振靈敏度、 寬帶光伏探測器^［49］， 如圖9所示。" 由于SiNWA的強(qiáng)光限制效應(yīng)和PdSe2的寬帶光吸收， 該器件表現(xiàn)出顯著的光伏行為和優(yōu)異的性能， 具有726 mAW^-1的高響應(yīng)度， 探測率為3.19×10 ¹⁴" cm·Hz^1/2/W， 上升時(shí)間和下降時(shí)間分別為25.1" μs和34" μs， 偏振靈敏度為75， 超寬光譜響應(yīng)范圍為0.2～4.6 μm， 可以以相當(dāng)高的分辨率記錄近紅外（NIR）和中紅外（MIR）范圍內(nèi)的圖像。 基于FDTD計(jì)算， 器件的顯著性能可以歸因于Si納米結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的強(qiáng)光耦合效應(yīng)。 這些結(jié)果表明， PdSe2/SiNWA混合維異質(zhì)結(jié)器件在高性能偏振靈敏寬帶光電探測、 紅外成像和濕度傳感方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

2021年， Shen 等提出一種在鍺襯底上生長的長波紅外InAs/GaAs亞單層量子點(diǎn)量子級(jí)聯(lián)探測器， 在77 K零偏壓下8.3 μm處響應(yīng)度為0.56 mA/W， 探測率為1.5×108 cm·Hz^1/2/W， 表明該結(jié)構(gòu)紅外器件也可以在硅襯底上實(shí)現(xiàn)外延生長^［21］。 基于此器件， 2023年， Guo 等提出一種能在160 K高溫下工作的硅基中波紅外InGaAs/GaAs亞單層量子點(diǎn)量子級(jí)聯(lián)探測器（SML QD QCDs）^［50］， 如圖10所示。 該探測器在Si襯底上成功生長了高質(zhì)量的GaAs-on-Si緩沖層， 螺紋位錯(cuò)密度降低到3×10⁷ cm^-2。 研究者將該探測器與基于GaAs襯底的相同結(jié)構(gòu)的探測器進(jìn)行對比， 發(fā)現(xiàn)這兩種探測器在5.5～7.5 μm的中紅外范圍內(nèi)具有幾乎相同的光電流響應(yīng)， 探測率分別為1.55×108 cm·Hz^1/2/W和1.98×108 cm·Hz^1/2/W， 為以后的量子級(jí)聯(lián)探測器研究提供了新思路。

2024年， Ge 等提出一種硅上集成的InAs波導(dǎo)光電探測器^［51］， 如圖11所示。 該探測器通過GaAs/Ge緩沖層來緩解InAs和Si之間的晶格失配問題， 使InAs層能夠高質(zhì)量地生長在Si上； 同時(shí)， Ge層還可以作為中紅外波導(dǎo)， 入射光在Ge-on-Si波導(dǎo)中傳播， 能瞬間耦合到InAs波導(dǎo)PD中的吸收層。 通過FDTD模擬得出， 該探測器在3 μm下的響應(yīng)度為2.77 A/W， 探測率為4.68×109 cm·Hz^1/2/W， 光吸收效率在60%以上。 但是在高反向偏置下工作時(shí)， InAs的能帶結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生畸變， 導(dǎo)致明顯的帶間暗電流。 該研究為制造高質(zhì)量的硅上集成InAs或InAs/GaSb Ⅱ型探測器提供了指導(dǎo)。

表3總結(jié)了近年來其他材料/硅中波紅外光電探測器的性能參數(shù)^［47-56］。 可以看出， 文獻(xiàn)［49］提出的基于PdSe2/Si納米線陣列（SiNWA）異質(zhì)結(jié)構(gòu)的自驅(qū)動(dòng)、 高偏振靈敏度、 寬帶光伏探測器的探測率最高， 達(dá)到了3.19×10¹⁴ cm·Hz^1/2/W。 這是由于2D PdSe2晶體的高度不對稱性， 導(dǎo)致了較強(qiáng)的各向異性特性； 其次， 異質(zhì)結(jié)在零偏壓下的低暗電流有利于提高探測率； 最后， 其垂直異質(zhì)結(jié)中的內(nèi)建垂直電場也有效快速地分離了光生載流子， 減少了電荷輸運(yùn)過程中的載流子復(fù)合。 并且通過FDTD得出， Si納米結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的強(qiáng)光耦合效應(yīng)也有利于提高這些優(yōu)異性能。

隨著技術(shù)的發(fā)展， 硅基化合物半導(dǎo)體探測器成為新的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向， 化合物半導(dǎo)體材料種類的多樣性賦予了硅探測器更多的發(fā)展可能， 不僅可以擴(kuò)展探測器的工作波長范圍， 還能夠提高其響應(yīng)度和靈敏度。 然而， 將化合物完美地生長在硅襯底上是很重要的問題， 主要原因在于晶格失配導(dǎo)致的缺陷。 為了解決這個(gè)難題， 研究人員通常利用GaAs， InP等材料， 在硅上生長一層或多層緩沖層， 以此來減少缺陷， 從而改善器件的性能； 由于工藝較為復(fù)雜， 需要對生長環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化， 采用先進(jìn)的外延生長方法， 嚴(yán)格把控生長過程。

4 總" 結(jié)

硅基異質(zhì)結(jié)中波紅外光電探測器在近年來的研究中取得了顯著的進(jìn)展， 通過新型的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)了重大突破， 具有優(yōu)秀的靈敏度和響應(yīng)度。 然而， 這些探測器也有不足。

晶格匹配問題是多種材料集成在硅上共有的缺點(diǎn)， 相比于鍺硅之間4.2%的失配率， Ⅲ-Ⅴ族材料與硅之間的失配率更高， 比如InAs， 達(dá)到了11.6%， 因此， 在兩種材料間生長合適的緩沖層減少缺陷而不影響探測器性能變得尤為關(guān)鍵； 硅基化合物半導(dǎo)體的生長工藝較于鍺和石墨烯更加復(fù)雜， 在生長過程中， 任何微小的偏差都可能導(dǎo)致材料質(zhì)量的下降， 需選用最優(yōu)的生長方法， 嚴(yán)格的生長條件控制是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量材料生長的基礎(chǔ)； 為了進(jìn)一步提高探測器的性能， 可以引入量子阱、 超晶格等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)， 獲得更高的光吸收率和響應(yīng)速度。

參考文獻(xiàn)：

［1］ Mashanovich G Z， Nedeljkovic M， Soler-Penades J， et al. Group IV Mid-Infrared Photonics［J］. Optical Materials Express， 2018， 8（8）： 2276-2286.

［2］ Hu T， Dong B W， Luo X S， et al. Silicon Photonic Platforms for Mid-Infrared Applications［J］. Photonics Research， 2017， 5（5）： 417-430.

［3］ Shen L， Healy N， Mitchell C J， et al. Mid-Infrared All-Optical Modulation in Low-Loss Germanium-on-Silicon Waveguides［J］. Optics Letters， 2015， 40（2）： 268-271.

［4］ Hugi A， Villares G， Blaser S， et al. Mid-Infrared Frequency Comb Based on a Quantum Cascade Laser［J］. Nature， 2012， 492（7428）： 229-233.

［5］ Xu T Q， Dong Y， Zhong Q Z， et al. Mid-Infrared Integrated Electro-Optic Modulators： A Review［J］. Nanophotonics， 2023， 12（19）： 3683-3706.

［6］ Huang Q D， Zhong L X， Dong J L， et al. All-Optical Light Manipulation Based on Graphene-Embedded Side-Polished Fiber［J］. Optics Letters， 2022， 47（6）： 1478-1481.

［7］ Gutierrez-Arroyo A， Baudet E， Bodiou L， et al. Optical Characterization at 7.7 μm of an Integrated Platform Based on Chalcogenide Waveguides for Sensing Applications in the Mid-Infrared［J］. Optics Express， 2016， 24（20）： 23109-23117.

［8］ Han Z， Singh V， Kita D， et al. On-Chip Chalcogenide Glass Waveguide-Integrated Mid-Infrared PbTe Detectors［J］. Applied Physics Letters， 2016， 109（7）： 071111.

［9］ Schwarz B， Reininger P， Detz H， et al. Monolithically Integrated Mid-Infrared Quantum Cascade Laser and Detector［J］. Sensors， 2013， 13（2）： 2196-2205.

［10］ Zhou W J， Wu D H， Lu Q Y， et al. Single-Mode， High-Power， Mid-Infrared， Quantum Cascade Laser Phased Arrays［J］. Scientific Reports， 2018， 8（1）： 14866.

［11］ Lin H T， Luo Z Q， Gu T， et al. Mid-Infrared Integrated Photonics on Silicon： A Perspective［J］. Nanophotonics， 2018， 7（2）： 393-420.

［12］ Muneeb M， Ruocco A， Malik A， et al. Silicon-on-Insulator Shortwave Infrared Wavelength Meter with Integrated Photodiodes for On-Chip Laser Monitoring［J］. Optics Express， 2014， 22（22）： 27300-27308.

［13］ Kong L C， Xie G Q， Yuan P， et al. Passive Q-Switching and Q-Switched Mode-Locking Operations of 2 μm Tm： CLNGG Laser with MoS2 Saturable Absorber Mirror［J］. Photonics Research， 2015， 3（2）： A47-A50.

［14］ Nedeljkovic M， Penades J S， Mittal V， et al. Germanium-on-Silicon Waveguides Operating at Mid-Infrared Wavelengths up to 8.5 μm［J］. Optics Express， 2017， 25（22）： 27431-27441.

［15］ 李炫璋.基于Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的紅外探測器研究［D］.北京： 中國科學(xué)院大學(xué)， 2022.

Li Xuanzhang. Research on Infrared Photodetectors Based on III-V Compound Semiconductors［D］. Beijing： University of Chinese Academy of Sciences， 2022. （in Chinese）

［16］ 張銀琳.基于新型勢壘結(jié)構(gòu)的高性能Ⅲ-Ⅴ族化合物紅外探測器研究［D］. 成都： 電子科技大學(xué)， 2024.

Zhang Yinlin. Research on High-Performance III-V Compound Infrared Detectors Based on Novel Barrier Structures［D］. Chengdu： University of Electronic Science and Technology of China， 2024. （in Chinese）

［17］ Thomson D， Zilkie A， Bowers J E， et al. Roadmap on Silicon Photonics［J］. Journal of Optics， 2016， 18（7）： 073003.

［18］ Rickman A. The Commercialization of Silicon Photonics［J］. Nature Photonics， 2014， 8： 579-582.

［19］ Xu D X， Schmid J H， Reed G T， et al. Silicon Photonic Integration Platform—Have We Found the Sweet Spot？［J］. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics， 2014， 20（4）： 189-205.

［20］ Vivien L， Pavesi L . Handbook of Silicon Photonics［M］. Boca Raton： CRC Press， 2013.

［21］ Shen Z J， Deng Z， Zhao X Y， et al. Submonolayer Quantum Dot Quantum Cascade Long-Wave Infrared Photodetector Grown on Ge Substrate［J］. Applied Physics Letters， 2021， 118（8）： 081102.

［22］ Michel J， Liu J F， Kimerling L C. High-Performance Ge-on-Si Photodetectors［J］. Nature Photonics， 2010， 4： 527-534.

［23］ Vivien L， Osmond J， Fédéli J M， et al. 42 GHz p.i.n Germanium Photodetector Integrated in a Silicon-on-Insulator Waveguide［J］. Optics Express， 2009， 17（8）： 6252-6257.

［24］ Liao S R， Feng N N， Feng D Z， et al. 36 GHz Submicron Silicon Waveguide Germanium Photodetector［J］. Optics Express， 2011， 19（11）： 10967-10972.

［25］ Zhang Y， Yang S Y， Yang Y S， et al. A High-Responsivity Photodetector Absent Metal-Germanium Direct Contact［J］. Optics Express， 2014， 22（9）： 11367-11375.

［26］ Nguyen T H N， Koompai N， Turpaud V， et al. Room Temperature-Integrated Photodetector between 5 μm and 8 μm Wavelength［J］. Advanced Photonics Research， 2023， 4（2）： 2200237.

［27］ Nguyen T H N， Turpaud V， Koompai N， et al. Integrated PIN Modulator and Photodetector Operating in the Mid-Infrared Range from 5.5 μm to 10 μm［J］. Nanophotonics， 2024， 13（10）： 1803-1813.

［28］ Kumar H， Timofeev V， Basu R. Mid-Infrared Photodetectors Based on Lattice Matched SiGeSn/GeSn Heterojunction Bipolar Transistor with an I-GeSn Absorber Layer［J］. IEEE Sensors Journal， 2023， 23（23）： 28759-28768.

［29］ Kumar H， Basu R. Study of the Effect of Temperature on the Detectivity and Sensitivity of GeSn-Based Heterojunction Phototransistor for Mid-Wave Infrared Applications［J］. Applied Physics B， 2021， 127（2）： 13.

［30］ Kim S， Bhargava N， Gupta J， et al. Infrared Photoresponse of GeSn/n-Ge Heterojunctions Grown by Molecular Beam Epitaxy［J］. Optics Express， 2014， 22（9）： 11029-11034.

［31］ Kumar H， Pandey A K. A Simulation-Based Study of Back-Illuminated Lateral Ge/GeSn/Ge Photodetectors on Si Platform for Mid-Infrared Image Sensing［J］. IEEE Transactions on Electron Devices， 2023， 70（4）： 1721-1727.

［32］ Novoselov K S， Geim A K， Morozov S V， et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films［J］. Science， 2004， 306（5696）： 666-669.

［33］ Novoselov K S， Jiang D， Schedin F， et al. Two-Dimensional Atomic Crystals［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2005， 102（30）： 10451-10453.

［34］ Zhang Y B， Tan Y W， Stormer H L， et al. Experimental Observation of the Quantum Hall Effect and Berry’s Phase in Graphene［J］. Nature， 2005， 438（7065）： 201-204.

［35］ Du X， Skachko I， Barker A， et al. Approaching Ballistic Transport in Suspended Graphene［J］. Nature Nanotechnology， 2008， 3（8）： 491-495.

［36］ Nair R R， Blake P， Grigorenko A N， et al. Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene［J］. Science， 2008， 320（5881）： 1308.

［37］ Li X L， Zhang G Y， Bai X D， et al. Highly Conducting Graphene Sheets and Langmuir-Blodgett Films［J］. Nature Nanotechnology， 2008， 3（9）： 538-542.

［38］ Kim K S， Zhao Y， Jang H， et al. Large-Scale Pattern Growth of Graphene Films for Stretchable Transparent Electrodes［J］. Nature， 2009， 457（7230）： 706-710.

［39］ Xu Y H， Liu J Q. Graphene as Transparent Electrodes： Fabric-ation and New Emerging Applications［J］. Small， 2016， 12（11）： 1400-1419.

［40］ Pang S P， Hernandez Y， Feng X L， et al. Graphene as Trans-parent Electrode Material for Organic Electronics［J］. Advanced Materials， 2011， 23（25）： 2779-2795.

［41］ Liu X Z， Zhou Q， Luo S， et al. Infrared Photodetector Based on the Photothermionic Effect of Graphene-Nanowall/Silicon Heterojunction［J］. ACS Applied Materials amp; Interfaces， 2019， 11（19）： 17663-17669.

［42］ Li X X， Sun T， Zhou K， et al. Broadband InSb/Si Heterojunction Photodetector with Graphene Transparent Electrode［J］. Nanotechnology， 2020， 31（31）： 315204.

［43］ Peng L， Liu L X， Du S C， et al. Macroscopic Assembled Graphene Nanofilms Based Room Temperature Ultrafast Mid-Infrared Photodetectors［J］. InfoMat， 2022， 4（6）： 129-140.

［44］ Yuan S F， Yu R W， Ma C， et al. Room Temperature Graphene Mid-Infrared Bolometer with a Broad Operational Wavelength Range［J］. ACS Photonics， 2020， 7（5）： 1206-1215.

［45］ Huang Z Z， Liu J K， Zhang T F， et al. Interfacial Gated Graphene Photodetector with Broadband Response［J］. ACS Applied Materials amp; Interfaces， 2021， 13（19）： 22796-22805.

［46］ Zhang Y， Li Y N， You Q， et al. A Broadband 3D Microtubular Photodetector Based on a Single Wall Carbon Nanotube-Graphene Heterojunction［J］. Nanoscale， 2023， 15（3）： 1402-1411.

［47］ Chen W， Deng Z， Guo D Q， et al. Demonstration of InAs/InGaAs/GaAs Quantum Dots-in-a-Well Mid-Wave Infrared Photodetectors Grown on Silicon Substrate［J］. Journal of Lightwave Technology， 2018， 36（13）： 2572-2581.

［48］ Bablich A， Schneider D S， Kienitz P， et al. Few-Layer MoS2/a-Si： H Heterojunction Pin-Photodiodes for Extended Infrared Detection［J］. ACS Photonics， 2019， 6（6）： 1372-1378.

［49］ Wu D， Jia C， Shi F H， et al. Mixed-Dimensional PdSe2/SiNWA Heterostructure Based Photovoltaic Detectors for Self-Driven， Broadband Photodetection， Infrared Imaging and Humidity Sensing［J］. Journal of Materials Chemistry A， 2020， 8（7）： 3632-3642.

［50］ Guo D Q， Huang J， Benamara M， et al. High Operating Temperature Mid-Infrared InGaAs/GaAs Submonolayer Quantum Dot Quantum Cascade Detectors on Silicon［J］. IEEE Journal of Quantum Electronics， 2023， 59（2）： 1-6.

［51］ Ge H， Luo H， Wang S Y， et al. Design and Optimization of InAs Waveguide-Integrated Photodetectors on Silicon via Heteroepitaxial Integration for Mid-Infrared Silicon Photonics［J］. IEEE Photonics Journal， 2024， 16（5）： 1-10.

［52］ Nidhi， Jakhar A， Uddin W， et al. Nanolayered Black Arsenic-Si-licon Lateral Heterojunction Photodetector for Visible to Mid-Infrared Wavelengths［J］. ACS Applied Nano Materials， 2020， 3（9）： 9401-9409.

［53］ Wu E P， Wu D， Jia C， et al. In Situ Fabrication of 2D WS2/Si Type-II Heterojunction for Self-Powered Broadband Photodetector with Response up to Mid-Infrared［J］. ACS Photonics， 2019， 6（2）： 565-572.

［54］ Wu D， Guo J W， Wang C Q， et al. Ultrabroadband and High-Detectivity Photodetector Based on WS2/Ge Heterojunction through Defect Engineering and Interface Passivation［J］. ACS Nano， 2021， 15（6）： 10119-10129.

［55］ Nandi S J， Ghosh K， Meyyappan M， et al. 2D MXene Electrode-Enabled High-Performance Broadband Photodetector Based on a CVD-Grown 2D Bi2Se3 Ultrathin Film on Silicon［J］. ACS Applied Electronic Materials， 2023， 5（12）： 6985-6995.

［56］ Mirzaei M R， Shi Z S. Room-Temperature Nanostructured PbSe/CdSe Mid-Infrared Photodetector： Annealing Effects［J］. Journal of Vacuum Science amp; Technology B， 2024， 42（1）： 012204.

Research Progress of Silicon-Based Heterojunction

Mid-Wave Infrared Photodetectors

Zeng Yuling， Feng Song*， Ma Baoke， He Xinyi， Wu Jianyang， Li Haojie

（School of Science， Xi’an Polytechnic University， Xi’an 710600， China）

Abstract： Mid-wave infrared photodetector is an important photoelectric detection equipment， which uses the photoelectric effect to convert infrared radiation into electrical signals. It is widely used in guidance， unmanned aerial vehicles， fighter jets and other platforms， and plays an important role in target detection， tracking and identification. Silicon-based heterojunction mid-wave infrared photodetectors are based on silicon materials， combined with mature silicon device technology and infrared detection performance， and have the advantages of low cost， easy preparation and high integration， becoming an opportunity to break through the bottleneck of traditional silicon-based optoelectronic devices. With the continuous progress of research， silicon-based heterojunction mid-wave infrared photodetectors have made great progress in various aspects， bringing new opportunities and challenges to infrared photoelectric detection technology. In this paper， the research and development of new germanium/silicon， graphene/silicon and other silicon-based heterojunction mid-wave infrared photodetectors are discussed， and the advantages of detectors of different materials are analyzed and compared.

Key words： semiconductor devices; optoelectronic devices; detector; mid-wave infrared; silicon-based heterojunction