中國科學(xué)院近紅外硅基光電探測器研究獲進(jìn)展

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，并且伴隨著各類有源、無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)行光電信號轉(zhuǎn)換的光電探測器是光電鏈路的基本組成部分之一，雖然硅基光電探測器廣泛應(yīng)用于可見光譜范圍（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)硅基探測器1.1 μm以上的近紅外探測仍然是發(fā)展單片光電集成技術(shù)所面臨的難題。

近年來，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，它能在室溫下探測到能量低于硅帶隙的光，且材料結(jié)構(gòu)和制造工藝簡單廉價，有可能滿足純硅近紅外光電探測器的需要。然而傳統(tǒng)的金屬-硅結(jié)構(gòu)探測器存在響應(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，但也面臨暗電流過大的問題，嚴(yán)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(yīng)并且有足夠的響應(yīng)，同時進(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器的關(guān)鍵。

近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心清潔能源實(shí)驗(yàn)室研究人員通過在硅襯底上制備納米級的Au薄膜和ITO電極（圖1），在硅基肖特基光電探測器研究方面取得進(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(dá)1.5×108，這是硅基肖特基紅外探測器目前所報道的最好結(jié)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(biāo)(b)半對數(shù)坐標(biāo)下0 nm和6 nm Au肖特基光電探測器暗態(tài)室溫J-V特性(c)6 nm Au探測器J-V溫度依賴特性(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(tài)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(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器將為實(shí)現(xiàn)光通信中單片集成純硅光電探測器提供重要借鑒，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(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)工作得到了國家自然科學(xué)基金的支持。

原文標(biāo)題：超低暗電流高性能近紅外硅基光電探測器研究獲進(jìn)展

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