不同结构及新型材料在硅基光电探测器上的应用展望

摘 要：      硅基光电探测器是硅光子集成电路中的核心器件， 在导弹制导系统中起着高效探测目标并精确跟踪目标的关键作用。 本文综述了国内外关于硅基光电探测器的研究进展和应用前景， 并探讨了不同结构和材料对探测器性能的影响。 通过回顾相关文献并分析研究成果， 重点关注了PIN结构、 肖特基结构、 GeSn材料和二维材料在硅基光电探测器中的应用情况。 随着研究的深入， 硅基光电探测器的响应速度和灵敏度得到了显著提高， 并且实现了对从紫外波段到红外波段宽范围内的探测需求， 旨在提高硅基光电探测器的响应度、 缩短响应时间和降低暗电流的同时， 探索新的结构和材料， 以进一步拓展硅基光电探测器在红外成像和光通信系统等领域的应用范围。

关键词：     硅基； 硅光子学； 硅光子器件； 光电探测器； 导弹制导； 红外成像

中图分类号：      TJ765; TN215

文献标识码：    A

文章编号：     1673-5048（2024）01-0013-10

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2023.0092

0 引  言

硅光子学是一个前途广阔的平台， 它不但可以产生具有低功耗、 多功能的光子电路， 还可以将这种光子电路与微电子芯片互联， 而对于传统电互联芯片中存在的如器件尺寸较大、 散热、 功耗、 串扰以及RC限制等问题［1］， 这种通过结合光子技术与微电子技术优势的新技术， 可以很好改善传统电互联中的不足， 从而实现信息的高速传递。 2013年， 集成光电子学实验室提出了一种高速MZ电光调制器， 通过适当掺杂后该器件的调制速率高达60 Gb/s［2］； 2021年， 德国的研究机构IHP报道了一种基于PIN结构的锗光电探测器， 实验测得， 该器件的3 dB带宽高达265 GHz， 是目前为止所报道的探测器中3 dB带宽最高值［3］。 凭借硅光子学和微电子学互联的优势， 各类硅基半导体器件飞速发展。 其中， 硅基光电探测器是一种可以把光信号转化为电信号的半导体器件， 也是硅光子集成电路中的核心器件。 硅基光电探测器在光通信、 环境监测、 军事、 医疗等领域发挥着越来越大的作用［4］。 在军事领域中， 红外波段的探测器主要用于导弹制导和红外成像等方面。 这些探测器有着精确探测和跟踪目标的能力， 从而成为导弹精确制导和红外成像的重要支柱， 并且新型光电探测器具有探测灵敏度高、 响应度大、 成本低、 尺寸小等优势， 将其用于军用智能探测领域， 可大幅提升作战能力。  硅（Si）由于其具有含量广、 成本低廉、 工艺成熟等优点， 是半导体界使用最广泛的材料。 但由于硅是间接带隙半导体， 具有禁带较宽且表面有较大反射率的特点， 导致基于硅材料的光电探测器普遍存在响应度低、 探测效率低等不足， 限制了硅基光电探测器应用的广度和深度， 而且由于硅基光电探测器截止波长小于1 100 nm， 难以被应用红外波段的检测［5］。 因此， 为了不断提高硅基光电探测器的综合性能， 基于不同结构、 材料的硅基光电探测器大量涌现。

一般来说， 根据器件结构可将硅基探测器分为光电导型、 PN结二极管、 PIN二极管、 雪崩倍增二极管、 金属-半导体-金属探测器、 异质结构二极管等类型［6］。 其中， PIN结构作为硅基光电探测器中最基本的结构， 对其研究也是最为广泛的。  在PIN光电探测器中，  由于入射光子可以产生更多的电子-空穴对， 进而可以调整本征区宽度以获得更高的效率和响应度。 因此， PIN光电探测器具有紧凑、 快速和高度线性的特征［7］。 由于吸收层太薄， 虽然能使探测器具有更高的响应速度， 但过薄的吸收层会减弱对光的吸收效果， 从而降低器件的响应度。 目前对于PIN光电探测器， 大都会采用与其他材料相结合（如GeSn合金、 二维材料等）， 利用这些材料优异的光电特性， 同时结合器件表面微纳结构以及钝化工艺处理， 可以在不降低响应速度的前提下提高器件的响应度。 对基于肖特基结构的光电探测器来说， 由于其势垒高度由金属的功函数和半导体材料的亲和势共同决定， 而势垒高度又决定着电流的大小， 因此传统的硅基肖特基光电探测器有着对弱光检测困难、 高温下器件性能不稳定等不足［8-9］。 目前为了提高肖特基结构光电探测器的性能， 研究人员通过使用不同的金属或二维材料（如Cu、 石墨烯等）来提高器件的综合性能。

硅基光电探测器由于传统材料带隙限制， 从而导致探测波段范围很有限， 难以支持器件在多个方面的应用， 因此拓宽器件的波段检测范围是亟待解决的问题， 将硅材料与其他材料结合， 成为提高硅基光电探测器性能的新方向。 目前已研究报道了多种优异性能的材料（如GeSn材料、 单层/双层二维材料等）， 如在锗（Ge）中掺入不同含量的锡（Sn）调节带隙从而拓宽检测范围； 对于二维材料， 由于其具有高载流子迁移率、 高光吸收率等优异的特点［10］， 也可以通过改变二维材料的层数去调节带隙［11］， 使其在硅基光电探测器中应用较为新颖。 本文对国内外基于不同结构（PIN结构、 肖特基结构）、 不同材料（GeSn材料、 二维材料等）的硅基光电探测器的研究现状进行阐述， 并对相关探测器的响应度、 响应时间、 暗电流、 探测波段等重要参数进行对比分析， 对未来继续优化和提升硅基光电探测器性能提供了思路。

1 基于不同结构的硅基光电探测器

1.1 基于PIN结构的硅基光电探测器

PIN结构是硅基光电探测器最常见的结构之一， 由P型和N型半导体层以及它们之间的一层本征材料组成。 主要工作原理是， 当光子进入探测器被吸收时， 在I型层中产生电荷对后， 被结区电场快速分离形成电信号， 从而实现光电转换。 2016年， 集成光电子学实验室报道了一种采用分子束外延（Molecular Beam Epitaxy， MBE）技术在N型Si衬底上生长具有Ge0.92Sn0.08有源层的GeSn基PIN光电探测器［12］。 器件结构如图1所示。 该器件采用固体源分子束外延技术在4英寸N型Si晶片上生长。 在器件制备之前， 将硼（B）离子注入到Ge0.94Sn0.06层的顶部， 并在300 ℃气体中退火30 s， 形成P+型Ge0.94Sn0.06， 然后采用光刻和Cl2/BCl3/Ar基电感耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma， ICP）刻蚀进行器件的制备， 最后采用等离子体增强化学气相沉积（Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition， PECVD）方法与电子束蒸发法分别制备了SiO2薄膜以及Ni和Al电极。 由实验结果分析可知， 所设计的光电探测器在室温下、 波长为2 μm、 反向电压为1 V时， 器件的暗电流为171 μA， 灵敏度为93 mA/W。 用FTIR光谱仪测量的光谱响应显示该器件的截止波长为2.3 μm， 覆盖了短波红外光谱的大部分范围。

2017年， 王尘等报道了一种在绝缘体上硅（Silicon-On-Insulator， SOI）衬底外延高质量单晶锗薄膜并制备出具有高性能的Ge PIN波导光电探测器［13］。 器件结构如图2所示， 将P原子扩散至顶层Si中形成n+-Si重掺杂层； 在SOI上外延锗薄膜， 形成整个PIN结构， 整个器件用Al作为电极。 由结果分析可得， 在-1 V反向偏压下， 器件具有75 mA/cm2低暗电流密度， 波长1 550 nm处的响应度为0.58 A/W； 在-2 V反向偏压下， 器件3 dB带宽为5.5 GHz。

2020年， Son等研究了Ge垂直PIN光电探测器［14］。 器件结构如图3所示， 在退火锗绝缘体（Germanium-On Insulator， GOI）平台上演示了垂直 PIN Ge光电探测器。 首先进行砷（As）离子注入， 以在顶部外延Ge层中形成N型区域， 实现了垂直PIN Ge二极管结构， 底部为P型掺杂层， 顶部为N型掺杂层， 通过基于Cl2的反应离子蚀刻（Reactive Ion Etching， RIE）， 使用缓冲氧化物蚀刻（Buffered Oxide Etching， BOE）清洁退火GOI的表面以去除原生氧化物层； 之后， 通过原子层沉积（Atomic Layer Deposition， ALD）沉积Al2O3层； 随后， 再通过PECVD沉

积SiO2附加钝化层。 两侧电极和中心电极分别与底部外延Ge层中的P型区域和顶部Ge层中的N型区域接触； 最后在退火GOI平台上用GeOx表面钝化制备了垂直PIN Ge光电探测器。 经过工艺优化后， 该探测器有着极低的暗电流密度， 仅为0.57 mA/cm2， 在-1 V的偏置电压下， 器件的体暗电流密度和表面暗电流密度分别为0.46 mA/cm2和0.58 μA/cm2， 3 dB带宽为1.72 GHz。 在1 500 nm波长处， 该探测器的响应度可提高到0.42 A/W。

2022年， Zhou等在GOI平台上制作了光栅和孔阵列结构的Ge横向PIN光电探测器［15］， 器件结构如图4所示。 首先在Si晶片上生长了Ge薄膜， 然后在Ge/Si施主

片和Si处理片上分别沉积SiO2层， 在施主片上沉积了额外的SiN层， 用来抑制键合界面处的空隙。 对Ge/Si施主片进行化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing， CMP）和N2环境退火， 并在氢氧化钾（KOH）溶液中通过湿法刻蚀去除Si施主层， 然后用CMP工艺去除缺陷Ge层， 最后基于硅衬底GOI平台制造了一种具有光栅和孔阵列结构的横向PIN光电探测器。 结果显示， 在-1 V时具有0.279 μA的低暗电流。 光栅结构通过引导垂直入射光的横向传播来增强光吸收， 在1 550 nm处器件的响应度提高了3倍。 与光栅结构相比， 孔阵列结构不仅可以引导横向模式， 而且有利于垂直共振模式， 孔阵列结构如图5所示。 在Ge吸收层上响应度提高了4.5倍， 在1 550 nm波长处达到0.188 A/W。 此外， 由于器件电容的减小， 光栅和孔阵列结构在-5 V时3 dB带宽分别提高了2倍和1.6倍。

PIN光电二极管的平面配置有利于大规模单片集成， 结合表面结构提供了同时提高器件响应度和带宽的有效方法， 为继续在硅衬底上开发具有高性能Ge光电探测器铺平了道路。

1.2 基于肖特基结构的硅基光电探测器

肖特基结构光电探测器是利用肖特基结的非线性电

学特性将光信号转化为电信号。 根据能带结构的不同， 肖特基型光电探测器可以分为金属-半导体-金属（Metal-Semiconductor-Metal， MSM）型和金属-半导体（Metal- Semiconductor， MS）型两种。 在半导体带隙以下的能量范围内， 内光电效应（Internal Photoelectric Effect， IPE）可以作为一种有效的探测机制。 IPE可以与Si材料一起使用， 用来检测低于其带隙能量的光子， 并通过合适的半导体材料和结构， 优化内光电效应的效率和灵敏度， 使其适用于不同能量范围的探测需求。 基于肖特基势垒光电探测器的主要优点是制作简单、 带宽大， 以及由于金属中激发电子的热化时间快而产生的高频响应。

研究表明， 石墨烯（Graphene， Gr）和半导体量子点（Semiconductor Quantum Dots， QDs）之间可能发生电荷转移， 因此可以通过将石墨烯与半导体量子点耦合来调谐石墨烯费米能级［16］。 2016年， Yu等制作了薄膜厚度约为42 nm的Si-QD/Gr/Si光电探测器［16］， 结构如图6所示。

石墨烯在窗口的底部与Au和N型硅接触。 对Gr/Si和Si-QD/Gr/Si光电探测器的光学反射率进行比较后发现： Si-QDs薄膜降低了光电探测器的反射比， 这种抗反射性随波长的减小而增大。 这是由于除了Si-QDs的多次散射外， Si-QDs薄膜在短波长区域对光具有更强的吸收作用， 证明了该探测器具有约为0.495 AW-1的高响应度、 小于25 ns的短响应时间以及优异的探测能力， 而且可以通过减小器件的串联电阻、 改变Si-QDs的尺寸和石墨烯的层数来调节Si-QDs与石墨烯之间的耦合， 从而进一步提高Si-QD/Gr/Si光电探测器的响应速度。

2021年， Huang等研究了一种结构简单的Cu/p-Si/Pt肖特基光电探测器［8］。 器件结构如图7所示。 该光电探测器主要采用电子束蒸发装置， 分别沉积Cu和Pt薄膜作为肖特基和欧姆接触（阳极电极）， 然后经过工艺处理， 确保在一个光滑的表面形成没有被污染的欧姆或肖特基接触。 此外， 在Cu肖特基接触上沉积了一个交叉几何形状的Cu层， 以促进载流子收集。 为了防止由于Pt/Si欧姆接触的导电性差可能限制光电探测器的电流和响应， 在Pt/Si欧姆接触处引入了快速热退火（Rapid Thermal Annealing， RTA）工艺， 在沉积Cu肖特基触点之前对Pt/Si欧姆触点进行退火处理， 使得退火过程不会对肖特基触点造成损伤。 分析结果可知， 在350 ℃下经过5 min的RTA处理， 器件综合性能达到最优。 通过对Cu/p-Si/Pt肖特基光电探测器的测量， 发现该器件在0 V偏压下具有良好的响应特性， 肖特基势垒高度为0.616 eV， 响应度为0.542 mA/W， 响应时间为0.897 μs。