不同結構及新型材料在硅基光電探測器上的應用展望

李浩杰 馮松 胡祥建 后林軍 歐陽杰 郭少凱

摘 要：????? 硅基光電探測器是硅光子集成電路中的核心器件， 在導彈制導系統中起著高效探測目標并精確跟蹤目標的關鍵作用。 本文綜述了國內外關于硅基光電探測器的研究進展和應用前景， 并探討了不同結構和材料對探測器性能的影響。 通過回顧相關文獻并分析研究成果， 重點關注了PIN結構、 肖特基結構、 GeSn材料和二維材料在硅基光電探測器中的應用情況。 隨著研究的深入， 硅基光電探測器的響應速度和靈敏度得到了顯著提高， 并且實現了對從紫外波段到紅外波段寬范圍內的探測需求， 旨在提高硅基光電探測器的響應度、 縮短響應時間和降低暗電流的同時， 探索新的結構和材料， 以進一步拓展硅基光電探測器在紅外成像和光通信系統等領域的應用范圍。

關鍵詞：???? 硅基； 硅光子學； 硅光子器件； 光電探測器； 導彈制導； 紅外成像

中圖分類號：??? ??TJ765; TN215

文獻標識碼：??? A

文章編號：??? ?1673-5048（2024）01-0013-10

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2023.0092

0 引? 言

硅光子學是一個前途廣闊的平臺， 它不但可以產生具有低功耗、 多功能的光子電路， 還可以將這種光子電路與微電子芯片互聯， 而對于傳統電互聯芯片中存在的如器件尺寸較大、 散熱、 功耗、 串擾以及RC限制等問題［1］， 這種通過結合光子技術與微電子技術優勢的新技術， 可以很好改善傳統電互聯中的不足， 從而實現信息的高速傳遞。 2013年， 集成光電子學實驗室提出了一種高速MZ電光調制器， 通過適當摻雜后該器件的調制速率高達60 Gb/s［2］； 2021年， 德國的研究機構IHP報道了一種基于PIN結構的鍺光電探測器， 實驗測得， 該器件的3 dB帶寬高達265 GHz， 是目前為止所報道的探測器中3 dB帶寬最高值［3］。 憑借硅光子學和微電子學互聯的優勢， 各類硅基半導體器件飛速發展。 其中， 硅基光電探測器是一種可以把光信號轉化為電信號的半導體器件， 也是硅光子集成電路中的核心器件。 硅基光電探測器在光通信、 環境監測、 軍事、 醫療等領域發揮著越來越大的作用［4］。 在軍事領域中， 紅外波段的探測器主要用于導彈制導和紅外成像等方面。 這些探測器有著精確探測和跟蹤目標的能力， 從而成為導彈精確制導和紅外成像的重要支柱， 并且新型光電探測器具有探測靈敏度高、 響應度大、 成本低、 尺寸小等優勢， 將其用于軍用智能探測領域， 可大幅提升作戰能力。? 硅（Si）由于其具有含量廣、 成本低廉、 工藝成熟等優點， 是半導體界使用最廣泛的材料。 但由于硅是間接帶隙半導體， 具有禁帶較寬且表面有較大反射率的特點， 導致基于硅材料的光電探測器普遍存在響應度低、 探測效率低等不足， 限制了硅基光電探測器應用的廣度和深度， 而且由于硅基光電探測器截止波長小于1 100 nm， 難以被應用紅外波段的檢測［5］。 因此， 為了不斷提高硅基光電探測器的綜合性能， 基于不同結構、 材料的硅基光電探測器大量涌現。

一般來說， 根據器件結構可將硅基探測器分為光電導型、 PN結二極管、 PIN二極管、 雪崩倍增二極管、 金屬-半導體-金屬探測器、 異質結構二極管等類型［6］。 其中， PIN結構作為硅基光電探測器中最基本的結構， 對其研究也是最為廣泛的。? 在PIN光電探測器中，? 由于入射光子可以產生更多的電子-空穴對， 進而可以調整本征區寬度以獲得更高的效率和響應度。 因此， PIN光電探測器具有緊湊、 快速和高度線性的特征［7］。 由于吸收層太薄， 雖然能使探測器具有更高的響應速度， 但過薄的吸收層會減弱對光的吸收效果， 從而降低器件的響應度。 目前對于PIN光電探測器， 大都會采用與其他材料相結合（如GeSn合金、 二維材料等）， 利用這些材料優異的光電特性， 同時結合器件表面微納結構以及鈍化工藝處理， 可以在不降低響應速度的前提下提高器件的響應度。 對基于肖特基結構的光電探測器來說， 由于其勢壘高度由金屬的功函數和半導體材料的親和勢共同決定， 而勢壘高度又決定著電流的大小， 因此傳統的硅基肖特基光電探測器有著對弱光檢測困難、 高溫下器件性能不穩定等不足［8-9］。 目前為了提高肖特基結構光電探測器的性能， 研究人員通過使用不同的金屬或二維材料（如Cu、 石墨烯等）來提高器件的綜合性能。

硅基光電探測器由于傳統材料帶隙限制， 從而導致探測波段范圍很有限， 難以支持器件在多個方面的應用， 因此拓寬器件的波段檢測范圍是亟待解決的問題， 將硅材料與其他材料結合， 成為提高硅基光電探測器性能的新方向。 目前已研究報道了多種優異性能的材料（如GeSn材料、 單層/雙層二維材料等）， 如在鍺（Ge）中摻入不同含量的錫（Sn）調節帶隙從而拓寬檢測范圍； 對于二維材料， 由于其具有高載流子遷移率、 高光吸收率等優異的特點［10］， 也可以通過改變二維材料的層數去調節帶隙［11］， 使其在硅基光電探測器中應用較為新穎。 本文對國內外基于不同結構（PIN結構、 肖特基結構）、 不同材料（GeSn材料、 二維材料等）的硅基光電探測器的研究現狀進行闡述， 并對相關探測器的響應度、 響應時間、 暗電流、 探測波段等重要參數進行對比分析， 對未來繼續優化和提升硅基光電探測器性能提供了思路。

1 基于不同結構的硅基光電探測器

1.1 基于PIN結構的硅基光電探測器

PIN結構是硅基光電探測器最常見的結構之一， 由P型和N型半導體層以及它們之間的一層本征材料組成。 主要工作原理是， 當光子進入探測器被吸收時， 在I型層中產生電荷對后， 被結區電場快速分離形成電信號， 從而實現光電轉換。 2016年， 集成光電子學實驗室報道了一種采用分子束外延（Molecular Beam Epitaxy， MBE）技術在N型Si襯底上生長具有Ge0.92Sn0.08有源層的GeSn基PIN光電探測器［12］。 器件結構如圖1所示。 該器件采用固體源分子束外延技術在4英寸N型Si晶片上生長。 在器件制備之前， 將硼（B）離子注入到Ge0.94Sn0.06層的頂部， 并在300 ℃氣體中退火30 s， 形成P+型Ge0.94Sn0.06， 然后采用光刻和Cl2/BCl3/Ar基電感耦合等離子體（Inductively Coupled Plasma， ICP）刻蝕進行器件的制備， 最后采用等離子體增強化學氣相沉積（Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition， PECVD）方法與電子束蒸發法分別制備了SiO2薄膜以及Ni和Al電極。 由實驗結果分析可知， 所設計的光電探測器在室溫下、 波長為2 μm、 反向電壓為1 V時， 器件的暗電流為171 μA， 靈敏度為93 mA/W。 用FTIR光譜儀測量的光譜響應顯示該器件的截止波長為2.3 μm， 覆蓋了短波紅外光譜的大部分范圍。

2017年， 王塵等報道了一種在絕緣體上硅（Silicon-On-Insulator， SOI）襯底外延高質量單晶鍺薄膜并制備出具有高性能的Ge PIN波導光電探測器［13］。 器件結構如圖2所示， 將P原子擴散至頂層Si中形成n+-Si重摻雜層； 在SOI上外延鍺薄膜， 形成整個PIN結構， 整個器件用Al作為電極。 由結果分析可得， 在-1 V反向偏壓下， 器件具有75 mA/cm2低暗電流密度， 波長1 550 nm處的響應度為0.58 A/W； 在-2 V反向偏壓下， 器件3 dB帶寬為5.5 GHz。

2020年， Son等研究了Ge垂直PIN光電探測器［14］。 器件結構如圖3所示， 在退火鍺絕緣體（Germanium-On Insulator， GOI）平臺上演示了垂直 PIN Ge光電探測器。 首先進行砷（As）離子注入， 以在頂部外延Ge層中形成N型區域， 實現了垂直PIN Ge二極管結構， 底部為P型摻雜層， 頂部為N型摻雜層， 通過基于Cl2的反應離子蝕刻（Reactive Ion Etching， RIE）， 使用緩沖氧化物蝕刻（Buffered Oxide Etching， BOE）清潔退火GOI的表面以去除原生氧化物層； 之后， 通過原子層沉積（Atomic Layer Deposition， ALD）沉積Al2O3層； 隨后， 再通過PECVD沉

積SiO2附加鈍化層。 兩側電極和中心電極分別與底部外延Ge層中的P型區域和頂部Ge層中的N型區域接觸； 最后在退火GOI平臺上用GeOx表面鈍化制備了垂直PIN Ge光電探測器。 經過工藝優化后， 該探測器有著極低的暗電流密度， 僅為0.57 mA/cm2， 在-1 V的偏置電壓下， 器件的體暗電流密度和表面暗電流密度分別為0.46 mA/cm2和0.58 μA/cm2， 3 dB帶寬為1.72 GHz。 在1 500 nm波長處， 該探測器的響應度可提高到0.42 A/W。

2022年， Zhou等在GOI平臺上制作了光柵和孔陣列結構的Ge橫向PIN光電探測器［15］， 器件結構如圖4所示。 首先在Si晶片上生長了Ge薄膜， 然后在Ge/Si施主

片和Si處理片上分別沉積SiO2層， 在施主片上沉積了額外的SiN層， 用來抑制鍵合界面處的空隙。 對Ge/Si施主片進行化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing， CMP）和N2環境退火， 并在氫氧化鉀（KOH）溶液中通過濕法刻蝕去除Si施主層， 然后用CMP工藝去除缺陷Ge層， 最后基于硅襯底GOI平臺制造了一種具有光柵和孔陣列結構的橫向PIN光電探測器。 結果顯示， 在-1 V時具有0.279 μA的低暗電流。 光柵結構通過引導垂直入射光的橫向傳播來增強光吸收， 在1 550 nm處器件的響應度提高了3倍。 與光柵結構相比， 孔陣列結構不僅可以引導橫向模式， 而且有利于垂直共振模式， 孔陣列結構如圖5所示。 在Ge吸收層上響應度提高了4.5倍， 在1 550 nm波長處達到0.188 A/W。 此外， 由于器件電容的減小， 光柵和孔陣列結構在-5 V時3 dB帶寬分別提高了2倍和1.6倍。

PIN光電二極管的平面配置有利于大規模單片集成， 結合表面結構提供了同時提高器件響應度和帶寬的有效方法， 為繼續在硅襯底上開發具有高性能Ge光電探測器鋪平了道路。

1.2 基于肖特基結構的硅基光電探測器

肖特基結構光電探測器是利用肖特基結的非線性電

學特性將光信號轉化為電信號。 根據能帶結構的不同， 肖特基型光電探測器可以分為金屬-半導體-金屬（Metal-Semiconductor-Metal， MSM）型和金屬-半導體（Metal- Semiconductor， MS）型兩種。 在半導體帶隙以下的能量范圍內， 內光電效應（Internal Photoelectric Effect， IPE）可以作為一種有效的探測機制。 IPE可以與Si材料一起使用， 用來檢測低于其帶隙能量的光子， 并通過合適的半導體材料和結構， 優化內光電效應的效率和靈敏度， 使其適用于不同能量范圍的探測需求。 基于肖特基勢壘光電探測器的主要優點是制作簡單、 帶寬大， 以及由于金屬中激發電子的熱化時間快而產生的高頻響應。

研究表明， 石墨烯（Graphene， Gr）和半導體量子點（Semiconductor Quantum Dots， QDs）之間可能發生電荷轉移， 因此可以通過將石墨烯與半導體量子點耦合來調諧石墨烯費米能級［16］。 2016年， Yu等制作了薄膜厚度約為42 nm的Si-QD/Gr/Si光電探測器［16］， 結構如圖6所示。

石墨烯在窗口的底部與Au和N型硅接觸。 對Gr/Si和Si-QD/Gr/Si光電探測器的光學反射率進行比較后發現： Si-QDs薄膜降低了光電探測器的反射比， 這種抗反射性隨波長的減小而增大。 這是由于除了Si-QDs的多次散射外， Si-QDs薄膜在短波長區域對光具有更強的吸收作用， 證明了該探測器具有約為0.495 AW-1的高響應度、 小于25 ns的短響應時間以及優異的探測能力， 而且可以通過減小器件的串聯電阻、 改變Si-QDs的尺寸和石墨烯的層數來調節Si-QDs與石墨烯之間的耦合， 從而進一步提高Si-QD/Gr/Si光電探測器的響應速度。

2021年， Huang等研究了一種結構簡單的Cu/p-Si/Pt肖特基光電探測器［8］。 器件結構如圖7所示。 該光電探測器主要采用電子束蒸發裝置， 分別沉積Cu和Pt薄膜作為肖特基和歐姆接觸（陽極電極）， 然后經過工藝處理， 確保在一個光滑的表面形成沒有被污染的歐姆或肖特基接觸。 此外， 在Cu肖特基接觸上沉積了一個交叉幾何形狀的Cu層， 以促進載流子收集。 為了防止由于Pt/Si歐姆接觸的導電性差可能限制光電探測器的電流和響應， 在Pt/Si歐姆接觸處引入了快速熱退火（Rapid Thermal Annealing， RTA）工藝， 在沉積Cu肖特基觸點之前對Pt/Si歐姆觸點進行退火處理， 使得退火過程不會對肖特基觸點造成損傷。 分析結果可知， 在350 ℃下經過5 min的RTA處理， 器件綜合性能達到最優。 通過對Cu/p-Si/Pt肖特基光電探測器的測量， 發現該器件在0 V偏壓下具有良好的響應特性， 肖特基勢壘高度為0.616 eV， 響應度為0.542 mA/W， 響應時間為0.897 μs。

2021年， Tang等提出了一種用石墨烯代替原有的p-Si形成Gr/n-Si肖特基結光電器件［9］， 器件結構如圖8所示。 在N型硅上采用化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition， CVD）外延工藝生長了一層P型硅形成PN結， 然后用磁控濺射生長Ti/Pt/Au作為背電極， 用銀（Ag）形成器件的前后電極。 對于肖特基結， 采用PECVD方法生長了SiNx絕緣層， 利用RIE在窗口部分刻蝕SiNx以暴露Si襯底， 然后轉移石墨烯時使用了一種銅基單層石墨烯薄膜， 在銅基石墨烯薄膜的石墨烯側面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate， PMMA）作為支撐層， 然后在溶液中洗去銅箔， 再將PMMA/Gr轉移到制備的Si襯底上， 最后將PMMA/Gr/Si樣品放入丙酮溶液中去除PMMA制成最終的器件。 當入射光功率為1 mW時， Gr/n-Si肖特基結光電探測器和p-Si/n-Si肖特基結光電探測器的電流分別為1.9×10-4 ?A和8.5×10-5 ?A。 實驗結果表明， Gr/n-Si肖特基結光電探測器的光電流明顯高于p-Si/n-Si肖特基結光電探測器， 暗電流明顯低于p-Si/n-Si肖特基結光電探測器。 在808 nm激光照射下， 勢壘高度達到0.938 eV， 量子效率（Quantum Efficiency）提高了71%。 與p-Si/n-Si光電探測器相比， 其光響應度和檢測率分別提高了0.456 A/W和7.96×1011 cm·Hz1/2·W-1。

表1總結了近年來基于PIN結構和肖特基結構探測器的性能參數。 由表可知， 基于PIN結構， 2019年由Daniel等報道的硅基光電探測器相比于其他文獻中所報道的硅基探測器有著更高的響應度， 響應度為1.16 A/W。 高響應度得益于該器件采用Si/Ge/Si異質結結構， 將整個器件集成在光波導末端， 使得光吸收沿著光模式傳播方向并垂直于載流子收集路徑。 這種設計有效避開了傳統器件設計中的響應度和響應速度之間的制約， 極大地提高了器件的響應度； 基于肖特基結構， 2017年Shen等聯合報道的硅基光電探測器， 相比于其他文獻中所報道的硅基光電探測器有著較高的響應度和更低的暗電流， 分別為0.52 A/W和2.0×10-12 ?A。 器件采用石墨烯/硅肖特基結構， 利用了石墨烯的高透光率和硅的高光吸收率特點。 對于傳統石墨烯/硅肖特基光電探測器而言， 在轉移石墨烯作為電極的過程中， 會產生金屬催化劑污染與工藝不兼容的問題， 從而導致低的響應度和大的暗電流。 而該器件采用無金屬原位生長工藝直接生長的石墨烯納米壁作為電極， 極大地緩解了上述兼容性和污染問題。 生長工藝的改進使該器件有較高的響應度和低的暗電流。

2 基于不同材料的硅基光電探測器

2.1 基于GeSn材料

鍺錫（GeSn）為CMOS兼容的光電子器件提供了巨大的優勢。 目前市場上占主導地位的短波紅外（SWIR）探測器主要采用昂貴的III-V（如InGaAs和InSb）和II-VI（HgCdTe）材料。 因此， 急需開發一種低成本、 高性能并且能夠用于SWIR探測器的替代材料。 IV族GeSn合金的成功開發為新一代紅外探測器開辟了一條道路。 GeSn合金因以下特性而引起廣泛的關注： 在Ge中加入少量的Sn改變了其電子能帶結構， 有效縮小了Ge的直接帶隙。 隨著Ge1-xSnx中x的增加和帶隙的減小， 光吸收波長范圍擴展到1 550 nm以上。 此外， 在給定波長下， Ge1-xSnx合金的吸收系數α比Ge高， 這是由于其較小的禁帶隙和合金無序， 使其成為一種非常有前途的短波紅外波段的光電探測材料。 高質量的Ge1-xSnx合金可以在Si襯底上的Ge緩沖層上生長， 使得Ge1-xSnx光電二極管能夠與其他硅光子和電子器件單片集成， 從而實現緊湊、 低成本和多功能的光電集成電路。

2019年， 集成光電子學實驗室報道了一種具有高質量Ge0.94Sn0.06吸收層的硅PIN光電探測器［24］。 實驗中為了最大程度上緩解生長GeSn材料產生的晶格失配、 位錯等問題， 采用多重循環退火的方式， 利用MBE技術生長高品質的GeSn合金。 多循環退火使Ge緩沖層中的位錯最小化， 同時在外延Ge緩沖層中引入拉伸應變。 這種拉伸應變可以部分緩解后續外延GeSn層中大的晶格失配所引起的應變， 從而優化GeSn層的質量。 該器件首先采用固體源分子束外延技術在N+型Si襯底上進行生長， 外延層由Ge緩沖層和Ge0.94Sn0.06吸收層組成， 并在600 ℃至800 ℃進行多次退火， 以提高Ge和GeSn層的質量。 為了形成P+ Ge0.94Sn0.06接觸， 將GeSn層頂部注入氟化硼離子（BF2+）， 然后采用PECVD方法在材料表面沉積了一層SiO2膜， 用于鈍化和減少表面反射處理， 再采用電子束蒸發法在頂部GeSn層和Si襯底上沉積電極， 最后采用剝離工藝制備了Ni/Al電極。 器件結構如圖9所示。 該光電探測器在1 550 nm和2 μm處的響應度分別達到0.45 A/W和0.12 A/W。 在偏壓為-1 V的情況下，? 實現了截止波長為2.3? μm的寬光譜探測， 暗電流密度為0.078 A/cm2。 該研究為制備硅基短波紅外探測GeSn PIN光電探測器提供了一種很新穎的方法。

2019年， Tran提出了一種高性能GeSn硅基光電探測器［25］。 圖10展示了器件的橫截面圖。 實驗GeSn材料采用工業標準ASM Epsilon 2000 Plus減壓化學氣相沉積系統（RPCVD）制得。 首先利用低溫/高溫兩步生長和熱退火法制備了厚度約為600 nm的Ge緩沖層， 然后在溫度大于800 ℃進行原位退火， 最后GeSn材料在200～400 ℃的Ge緩沖液上開始生長。 GeSn顯示了缺陷底層和高質量頂層兩層特性。 Ge0.89Sn0.11層的N型和P型摻雜濃度分別為2×1018 cm-3和1×1017 ?cm-3。 耗盡區寬度主要位于高質量GeSn層（圖中的P型）； 此外， 在耗盡區邊緣的GeSn缺陷底層是為了有效收集大多數光生載流子， 然后對器件頂部和側壁沉積一層GeON用來鈍化器件， 用Cr/Au制作電極。 在該報道中， 對硅基GeSn中紅外光探測器進行了全面的研究， 其中， 若Sn的含量在10.5%～22.3%之間， 則探測器的截止波長可以擴展到3.65 μm。 在溫度為77 K下測得的最大比探測率（D*）為1.1×1010 cm·Hz1/2·W-1， 與商用擴展InGaAs探測器的D*相當， 并且提出了一種光電二極管表面鈍化技術， 有效降低了暗電流。

2021年， 集成光電子學實驗室報道了一種用于2 μm波長的正入射PIN Ge0.951Sn0.049光電探測器［26］。 實驗所用的材料都是通過在SOI襯底上采用MBE生長， 使用兩步生長工藝生長的200 nm厚的Ge緩沖層。 為了減少晶格失配位錯， Ge緩沖層在生長后從600 ℃至750 ℃的循環退火。 最后在200 ℃下沉積350 nm厚的GeSn合金層， 并且在相同溫度下生長100 nm厚的P型硼摻雜的GeSn層， 以避免GeSn層中Sn原子的偏析。 利用P+型GeSn層、 吸收層（包括Ge緩沖層和GeSn層）和N+型接觸層實現了PIN GeSn光電探測器。 為了降低表面暗電流， 利用PECVD在表面和側壁沉積SiO2鈍化層。 為了減小表面反射及保護金屬電極， 用PECVD沉積了SiNx層。 器件結構如圖11所示。 當Ge的含量和Sn的含量分別為95.1%和4.9%時， 該器件在室溫下獲得了約為125 mA/cm2的暗電流密度； 在施加反向偏壓且在2 μm的波長光照下， 實現了14 mA/W的光學響應； 此外， 在-3 V下實現了約30 GHz的3 dB帶寬， 這是在2 μm波長范圍內的III-V族和IV族光電探測器中報道的最高值。

2022年， 加爾各答大學提出了一種具有無應變無缺陷GeSn有源層的垂直PIN同質結波導光電探測器（Waveguide Photodetector，? WGPD）［27］。? 該探測器采用窄間隙GeSn合金作為有源層， 可以完全覆蓋整個2 μm波段。 因為波導結構允許光子吸收路徑和載流子收集路徑解耦， 從而允許在2 μm波段同時實現高響應度和高帶寬工作， 器件結構如圖12所示。 本征Ge1-xSnx吸收區在兩個重摻雜的P型和N型Ge1-xSnx層之間， 摻雜濃度為1×1019 cm-3。 整個垂直PIN結構是在Si或SOI襯底上通過Ge1-xSnx虛擬襯底（Virtual? Substrate，? VS）生長的，? 形成了晶格匹配的無應變GeSn PIN同質結結構。 WGPD在p-Ge1-xSnx的頂面上具有脊狀結構， 并由SiO2層覆蓋，作為Ge1-xSnx同質結的電隔離層和波導的包層， 所設計的器件在2 μm波長下有著最佳性能。 當Sn濃度為10%時， GeSn WGPD在室溫下的響應度為1.549 A/W， 帶寬為97 GHz， 探測率為6.12×1010 ?cm·Hz1/2·W-1。

表2總結了近年來基于GeSn材料不同結構探測器的性能參數。 由表可知， 2015年由阿肯色大學Pham等報道的基于PC結構Sn含量為10%的硅基光電探測器有著較大的響應度（2.85 A/W）。 這是由于傳統結構的探測器兩電極之間的距離較大， 載流子通過時間大于其有效壽命， 因此， 光生載流子在被電極收集之前可能發生復合， 導致低增益。 該探測器相比于其他結構的GeSn光電探測器， 高響應度得益于對器件的電極進行設計優化， 減少了載流子的通過時間， 同時增加了其有效壽命， 最終可以獲得較高的增益。 但同時該器件也有著較大的暗電流密度（7.7 A/cm2），? 這是由于該器件的材料在生長的過程中缺陷密度過大導致暗電流過高。 但在2016年， 文獻［28］報道的基于PIN結構Sn含量為2.5%的光電探測器有著近年來較低的暗電流密度， 僅為1 mA/cm2。 這是由于該器件沉積了一層SiO2用來降低缺陷密度并防止表面暗電流， 所以相比于其他器件暗電流要小的多。 但是該器件想要達到峰值響應度就需要采用液氮降低溫度， 還需要進一步優化結構以提高響應性能。

總之， GeSn合金在硅基光電探測器應用方面取得了顯著進展。 通過調節合金成分， 進而實現帶隙調控， 極大地拓寬了探測器探測波段范圍， 使探測器的適用范圍變得更加廣闊。 通過優化生長和制備工藝， 從而獲得更高質量的GeSn合金， 減少了由缺陷、 界面等引起的暗電流， 并且提升了探測器的穩定性和可靠性， 為未來探測器商用和工業化使用提供了保障。

2.2 基于二維材料

自2004年石墨烯提出以來， 憑借其高載流子遷移率、 柔韌性、 強光-物質相互作用和寬帶吸收等優異特性， 引起了科學界的廣泛關注。 盡管石墨烯具有微弱的光吸收和零帶隙， 但作為光電器件的活性材料， 石墨烯已經具有令人印象深刻的特性。 這種材料將用于下一代光電設備， 特別是光電探測器。 事實上， 大多數二維材料都可以生長在許多襯底材料上， 如Cu， Ni， Pt， Au， Si， SiO2等， 為開發用于紅外檢測的肖特基結開辟了道路。 使用二維材料代替金屬是相對較新的方法， 它使得硅基光電探測器在探測紅外區域具有很廣闊的前景。

2017年， Wang等提出了一種用于高速紫外檢測的石墨烯增強硅肖特基光電探測器［36］， 器件結構如圖13所示。 由于石墨烯的半金屬性質， 石墨烯與硅之間形成了肖特基結。 石墨烯/硅界面是最大內建電場的耗盡區， 這有利于光生電子-空穴對的快速分離， 而無需外加任何偏壓， 使光電探測器具有自供電能力， 采用Al2O3減反射層后， 使Gr/Si紫外光探測器的穩定性和響應性得到進一步提高。 在近紫外和中紫外光譜區， 該紫外光探測器在零偏壓（自供電）模式下有著0.2 A/W的光響應率、 5 ns的快時間響應和1.6×1013 Jones的高比探測率， IQE效率大于100%。 此外， 在200～400 nm波長范圍內， 光響應率大于0.14 A/W， 與目前最先進的Si， GaN， SiC肖特基光電探測器相當。

2021年， Zhao等設計了一種基于石墨烯/硅納米截錐陣列的高量子效率寬帶光電探測器［37］。 與平面硅或硅納米柱相比， 納米截錐陣列（NTCAs）進一步增強了光吸收。 器件結構如圖14所示。 采用RIE的方法， 在硅晶片上制備了垂直有序的硅納米截錐陣列， 通過PMMA輔助工藝將3～5層石墨烯轉移到Si NTCAS的頂部， 并用銀漿在石墨烯表面沉積銀電極， 利用石墨烯薄膜和硅襯底收集光生載流子。 這種異質結結構克服了傳統硅基光電探測器中的弱光吸收和表面復合。 同時， 石墨烯既可以作為光譜吸收層， 也可以作為透明電極， 提高了異質結器件的響應速度。 該光電探測器在780 nm波長下具有97%的QE、 4.286×1011 cm·Hz1/2·W-1的探測率和60/105 μs的短上升/下降時間， 檢測帶寬從紫外（UV）到近紅外（NIR）區域（350～1 550 nm）。

2022年， Wang等提出了一種高速波導集成PdSe2光電探測器［38］。 由于PdSe2具有褶皺的蜂窩狀晶格， 在正常實驗室環境中具有優異的物理和化學穩定性， 并且具有高載流子遷移率和非零帶隙。 這些特性使得PdSe2可以用作制造高速光電探測器的材料。 器件結構如圖15所示。 首先， 通過電子束光刻（Electron Beam Lithography， EBL）圖形化和深度反應離子刻蝕（Deep Reactive Ion Etching， DRIE）制備了硅波導。 硅波導可以增強與二維材料的光-物質相互作用的物理長度， 與通過表面光照原子級吸收長度相比， 通過沿著硅波導傳播方向的倏逝波耦合有著更強的面內吸收， 然后用PECVD在芯層上沉積了SiO2層， Ti/Au電極用電子束蒸發沉積制得。 最后， 采用傳統的濕轉移方法將PdSe2轉移到波導上。 由結果討論可知， 在1 550 nm處， 光電探測器的無偏壓響應度為0.57 mA/W； 在6 V偏壓下， 光電探測器的響應度為20 mA/W， 3 dB帶寬約為40 GHz。 該光電探測器的工作波長覆蓋1 450～1 650 nm的寬通信波段， 并可擴展到更長的波長。 結果表明， 二維層狀PdSe2是一種具有競爭力的紅外光探測器候選材料， 與石墨烯相比， 多層PdSe2具有更窄的帶隙， 并且在增加偏置電壓時可以減小暗電流， 為設計高性能片上光電探測器提供了一個有前景的解決方案。

2022年， Wu等報道了一種將PdSe2與硅波導集成用于片上光檢測的光電探測器［39］， 如圖16所示。 該器件是將多層PdSe2與SOI脊波導集成在一起。 硅波導被輕摻雜， 重摻雜區域在適當的距離上接近波導。 硅波導不但可以保證光在長距離傳播上通過倏逝場耦合充分吸收， 而且還能減少光生載流子的傳輸時間， 極大地提高了探測器的響應度和響應速度。 為避免光生載流子在PdSe2薄片和硅波導之間轉移， 還沉積了Al2O3薄膜， 再沉積兩個Ti/Au放置在直波導周圍， 最后將PdSe2轉移到波導的頂部。 PdSe2波導集成光電探測器在1 550 nm@ 5 V下工作， 器件具有1 758.7 mA/W的高響應度， 3 dB帶寬可達1.5 GHz， 4.0 pW·Hz-0.5的低噪聲等效功率。

表3總結了近年來基于不同二維材料光電探測器的性能參數。 由表可知， 2018年由Jo等報道的基于ReS2和ReSe2材料相比于其他二維材料有著1.58×108 mA/W的高響應度。 該器件的設計基于ReS2和ReSe2組成的范德瓦爾斯異質結結構中的層間光躍遷現象， 采用了一個由ReS2和ReSe2組成的異質結結構， 并且通過在范德瓦爾斯材料上使用Ti金屬接觸， 之后再引入一種新的柵端去控制異質結界面， 最后不但擴寬了檢測范圍， 而且還獲得了很高的光響應度。 2022年由Wang等報道的基于PdSe2材料有著40 GHz的高帶寬。 該器件利用PdSe2較窄的帶隙和較高的載流子遷移率， 通過CVD工藝將多層PdSe2轉移到硅波導上， 最終獲得了較大的帶寬。 所集成的光電探測器不但有較小的暗電流， 而且在空氣中的穩定性和集成的可擴展性要優于其他二維材料。 值得一提的是， 該器件在增加偏置電壓時可以降低暗電流。 這得益于層狀PdSe2材料可以通過調節材料的層數， 進而調控材料帶隙，? 因此可使用更薄的PdSe2薄膜使得帶隙變寬， 或者通過在器件中插入隧穿勢壘實現更小的暗電流。

由于硅是當前器件使用最廣、 最主要的襯底材料， 而二維材料性能優異， 與硅有著優良的兼容性， 通過對二維材料進行層疊、 摻雜、 應變等方法， 使其能帶結構和光學性質變得可控調節， 所以二者結合不但能提升探測器的光電轉換效率、 響應度等性能， 而且還可以實現更緊湊和可定制的硅基光電探測器。

3 結? 論

隨著技術的發展， 硅光子學取得了驚人的進展。 對于器件而言， 硅光子器件可以很好地與CMOS工藝兼容， 在器件的尺寸和成本等方面有著很大的優勢。 如今可以用不同光電特性的材料和不同的結構去增強硅基光電探測器的性能。 雖然目前所報道的硅基光電探測器有著優異的性能， 但是依舊有些不足亟待解決。

首先， 對于PIN結構而言， 為了提高探測器性能， 可以通過引入不同納米結構、 表面增強效應等， 以提高探測器的響應度， 還可以通過與無源器件的結合， 如MMI、 光柵耦合器、 微環諧振器等， 使探測器對光的吸收更加均勻和充分。 對于肖特基結構而言， 現有的肖特基光電探測器在光吸收和載流子收集效率方面仍有很大的提升空間。 未來將集中于提高光吸收效率和肖特基接觸的質量， 以提高探測器的靈敏度。 噪聲方面在低光水平下顯得尤為重要， 因此想要進一步降低探測器的噪聲， 就必須優化材料制備過程， 最大程度上改善晶格質量和界面態密度。 此外， 通過對器件結構的改進， 可以進一步優化載流子傳輸路徑和減小電流傳輸長度， 從而提高探測器的響應速度。

其次， 對于GeSn光電探測器而言， 由于存在電容結構， 因此可能存在較高的電容噪聲從而降低探測器的信噪比； 制造GeSn需要特殊的工藝和設備， 制造成本較高， 并且器件的穩定性還需進一步改善。 為了增強GeSn材料的光吸收， 可以采用量子限制效應和表面等離子體共振現象等增強光與材料的相互作用； 對于二維材料硅基光電探測器而言， 由于二維材料較薄導致其光吸收不足。 為了提高二維材料的光吸收， 除了引入納米結構（納米線、 納米截錐陣列等）， 也可以通過堆疊多層二維材料來加大光吸收路徑從而提高光吸收效率， 還可以進行功能化表面修飾， 通過調整功能化分子或結構的特性， 增強二維材料對目標波長光的吸收， 或引入等離子體共振效應等方式以提高器件的響應度， 例如通過在石墨烯表面附著具有等離子體共振性質的納米顆?；蚪Y構， 可以產生局域化電場增強效應， 從而增強光的吸收。 對于部分二維材料在空氣中容易被氧化、 容易與周圍環境發生反應造成探測器的穩定性下降， 可以通過包覆等方法去保護二維材料或者與其他材料結合制備復合型光電探測器， 提高探測器的性能。

未來硅基光電探測器的發展將集中體現在提升響應度和響應速度、 拓寬工作波長范圍、 與光電子芯片進行高度集成互聯等方面。 這些發展將推動硅基光電探測器在光通信、 光子學和生物醫學等領域的應用， 并為未來的硅光子技術高速發展創造了可能。

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Application Prospects of Different Structures and New Materials in Silicon Based Photodetectors

Li Haojie， Feng Song*， Hu Xiangjian， Hou Linjun， Ouyang Jie， Guo Shaokai

Abstract： Silicon based photodetector is the core device in silicon photonic integrated circuit， which plays a key role in efficient target detection and accurate target tracking in missile guidance system. This paper summarizes the research progress and application prospects of silicon based photodetector at home and abroad， and discusses the impact of different structures and materials on the detector performance. By reviewing relevant literatures and analyzing research results， it emphasis on the application of PIN structures， Schottky structures， GeSn materials， and two-dimensional materials in silicon-based photodetectors. With further research， the response speed and sensitivity of silicon-based photodetectors have been significantly improved， and the detection demand for a wide range from ultraviolet to infrared has been achieved to improve the responsiveness of silicon based photodetectors， shorten the response time and reduce the dark current， also explore new structures and materials to further expand the application range of silicon-based photodetectors in? infrared imaging and optical communication systems.

Key words： silicon base; silicon photonics; silicon photonic device; photodetector; missile guidance; infrared imaging