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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


  來(lái)源: 中國(guó)科學(xué)院物理研究所 時(shí)間:2020-10-29 編輯:清風(fēng)
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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)最重要的技術(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最具前景的技術(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)道的最好結(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是延展性最好的金屬,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。


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