硅基异质结中波红外光电探测器的研究进展

摘 要：      中波红外光电探测器是一种重要的光电探测设备， 利用光电效应将红外辐射转化为电信号， 广泛应用于制导、 无人机、 战斗机等平台， 在目标探测、 跟踪和识别方面有着重要作用。 而硅基异质结中波红外光电探测器以硅材料为基础， 结合了成熟的硅器件工艺和红外探测性能， 具有低成本、 易制备、 高集成等优势， 成为突破传统硅基光电子器件瓶颈的契机。 随着研究的不断进步， 硅基异质结中波红外光电探测器在各个方面都取得了很大的进展， 为红外光电探测技术带来了新的机遇和挑战。 本文从不同材料的硅基异质结进行了讨论， 具体阐述了新型锗/硅， 石墨烯/硅和化合物半导体/硅中波红外光电探测器的研究发展， 分析对比了不同材料的探测器的优点。

关键词：     半导体器件； 光电器件； 探测器； 中波红外； 硅基异质结

中图分类号：      TJ760； TN215

文献标识码：    A

文章编号：     1673-5048（2024）06-0036-08

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2024.0164

0 引  言

在中红外光谱范围内工作的硅基集成光子电路是检测和识别化学和生物物质的重要技术， 可用于在各种应用中检测微量有害和有毒物质， 包括环境监测、 危害检测、 工业过程控制和医疗诊断^［1-5］。 中波红外光电探测器在军事航空领域具有重要的应用价值。 该探测器具有优秀的红外成像能力， 灵敏度高， 能够穿透烟雾、 雾霾等复杂环境， 识别并追踪目标， 提供精准的目标信息， 在制导系统中， 可以确保导弹和火箭在恶劣的天气下也能实现精准打击， 提高命中率， 增强作战能力， 是红外制导的关键部分。 同时， 该探测器在无人机和战斗机上担任着夜视、 侦察、 识别和跟踪等任务， 提高了作战的安全性和隐蔽性。 此外， 该探测器还能用于红外搜索， 探测并跟踪敌方飞机等热源， 为军事侦察和防御提供了有力支持。 近年来， 集成了完整光学功能的中红外光子电路引起了人们极大的兴趣， 探索了许多用来开发基于硫化物玻璃^［6-8］、 量子级联激光器^［9-10］和硅光子学的集成中红外传感平台的方案^［11-14］。 其中， 中红外硅光子学的优势在于能利用基于微电子集成电路的大量制造技术来提供可靠且具有成本效益的解决方案。

传统的中波红外探测器主要基于化合物半导体材料， 如HgCdTe， InGaAs， InSb 等。 HgCdTe是目前最主要的探测器材料， 具有响应速度快、 量子效率高、 带隙可调整、 噪声小的优点， 但是在实现红外探测器方面也有许多问题。 HgCdTe探测器是通过调整Cd的组分来控制响应波长的， 要求精确的组分控制， 难度较高； HgCdTe探测器的最适宜工作温度是77 K， 且具有较弱的Hg-Te键， 在高温和其他复杂环境下性能不稳定； HgCdTe探测器的制备与Si基集成电路工艺不匹配， 需要复杂的制备工艺， 制造成本较高^［15］。 InGaAs， InSb等Ⅲ-Ⅴ族材料具有成熟的外延生长技术， 能制造出优秀的量子阱和超晶格结构， 使探测器获得优异的性能。 InSb探测器在中红外波段有较高的吸收系数， 响应度快， 灵敏度高， 但InSb器件必须在77 K温度下工作， 需要提供制冷环境， 增加了制造成本， 并且对高温下工作的InSb探测器需求越来越高， 高温会导致暗电流增加； InGaAs探测器光电转化效率高， 响应度快， 外延生长均匀性好， 有着成

熟的制备工艺， 抑制该探测器发展的主要问题是外延层与衬底之间的晶格失配， 这会影响生长高质量外延层， 影响探测器的性能^［16］。 而硅基异质结中波红外光电探测器以硅材料为基础， 结合了硅器件工艺的成熟性和红外探测的性能要求， 具有探测范围广、 制造成本低、 制备工艺简单、 易于集成等优势。 硅基异质结中波红外光电探测器的研究旨在通过引入其他材料或结构， 在硅基材料上实现红外波段的探测。 常见的方法包括利用量子结构、 纳米材料或光学增强结构等， 这些方法可以在硅基材料上实现红外光电探测， 并且具有较高的灵敏度、 快速响应等优点， 有望推动硅基红外探测技术的发展， 拓展其在各个领域的应用范围。

在中红外波段实现硅基异质结探测器也有一定的困难。 首先， 由于硅材料本身的缺点， 探测波长小于1.1 μm， 需要选择与硅兼容的材料， 调节带隙使探测器能够探测更长的波长范围； 其次， 硅和各种材料之间的晶格常数并不是完全匹配， 在硅衬底上外延生长其他材料时， 容易导致晶格失配， 产生缺陷； 此外， 有些中波红外探测器结构复杂， 要求精密的制备工艺， 如何实现高质量的外延生长技术是关键； 最后， 探测器的灵敏度和响应速度相矛盾， 提高灵敏度会导致响应速度的降低， 因此， 如何平衡灵敏度和响应速度也是一个重要的考虑因素。

本文从不同材料的硅基异质结进行讨论， 具体阐述了新型锗/硅， 石墨烯/硅和化合物半导体/硅基异质结中波红外光电探测器近年来的研究发展， 分析对比了不同材料的探测器的优缺点。

1 锗探测器

一般来说， SOI平台的固有缺点是Si不能吸收波长超过1.1 μm的光， 特别是对于重要的O到U光通信波段有很大的限制^［17-20］。 而锗的吸收波长覆盖了2～15 μm范围， 截止波长可达15 μm， 是用来扩展硅基探测器吸收波长的理想材料^［21］。 尽管Ge与Si的晶格失配很大， 利用MBE和CDV等技术可以在Si衬底上外延生长Ge薄膜。 锗光电探测器目前被认为是硅光子器件库中成熟的基本构建模块， 在过去的几十年里， 基于Ge的波导光电探测器^［22-25］已经取得了巨大的进展， 其具有优秀的性能特征， 可与通常用于光通信元件的III-V族半导体所实现的性能特征相媲美。 一些研究小组已经制作了新型锗硅波导光电探测器， 改进了光电探测器的特性。

2022年， Nguyen等提出了一种肖特基二极管SiGe中波红外光电探测器^［26］， 如图1所示。 集成光二极管基于生长在n掺杂Si衬底上的折射率沿垂直方向线性增加的SiGe波导， 波导宽度为6 μm， 蚀刻深度为5.5 μm， 通过一个嵌入式肖特基二极管收集产生的光电流。 该光电探测器在室温下工作， 波长在5～8 μm之间， 内部响应度高达0.1 mAW^-1， 工作脉冲短至50 ns， 这是高速工作的良好指标， 工作频率至少可达20 MHz。 这种集成光电探测器可以对芯片上的光监测产生强烈的影响。

2023年， Nguyen等提出一种使用pin二极管的波导型集成SiGe中波红外光电探测器^［27］， 如图2所示。 在非掺杂Si衬底上外延生长3 μm厚的Si0.6Ge0.4层， 然后是3 μm厚的渐变Si1-xGex层。 在该渐变层中， SiGe合金中Ge的分数x从40%线性增加到100%。 最后在该结构的顶部生长2 μm厚的Si0.3Ge0.7层， 有效地将光模限制在光子波导内并远离上部金属部分。 在集成波导中嵌入pin垂直二极管， 利用自由载流子等离子体色散效应， 从底部开始的第一个1 μm厚的Si0.6Ge0.4层被磷重掺杂， 形成N型区域， 掺杂浓度为1×10¹⁸ cm^-3； 上面300 nm厚的Si0.3Ge0.7层被硼重掺杂， 形成P型区域， 掺杂浓度为5×10¹⁸ cm^-3。 通过实验可知， 该器件脉冲频率为100 kHz， 占空比为5%， 3 dB带宽为32 MHz， 在5.2～10 μm波长范围内可以观察到光生电流， 内部响应度范围为0.5～1.6 mA/W。 该响应率远高于之前报道的肖特基二极管SiGe光电探测器实现的响应率^［27］， 为未来完全集成的中波红外光电探测器提供了希望。

2023年， Kumar 等提出一种能够工作在中红外波段的高性能的晶格匹配SiGeSn /GeSn/SiGeSn异质结双极型光电晶体管（HPT）和pin光电二极管， 其生长在无应变SiGeSn虚拟衬底上^［28］， 如图3所示。 为了实现无应变结构， 研究团队严格遵循SiGeSn/GeSn/SiGeSn异质界面处的晶格匹配原则， 减少了器件内部的界面缺陷与状态， 确保各层材料拥有相同的晶格常数。 通过调整Si与Sn的合金化比例， 成功生长出晶格完美匹配的异质结构。 利用有限元方法， 对器件结构进行模拟， 在λ=2 000 nm处， 无应变HPT的响应度和带宽分别为28.5 A/W和29.5 GHz， pin PD的响应度和带宽分别为0.97 A/W和91.22 GHz。 此外， 所提出的无应变HPT和pin PD的信噪比（SNR）高达68.4 dB和31.8 dB， 工作频率也达到10 GHz。 这些值高于以前报道的结果， 因此， 采用晶格匹配的SiGeSn/GeSn/SiGeSn异质结构可设计和制造用于MWIR应用（传感、 成像和光纤电信网络）的高性能检测器。

表1总结了近年来锗/硅中波红外光电探测器的性能参数^［26-31］。 可以看出， 文献［28］提出的高性能的晶格匹配SiGeSn/GeSn/SiGeSn异质结双极型光电晶体管（HPT）和pin光电二极管响应度最高， 其光学响应度随着反向偏压的增加而增加， 其原因是由于电流是由自由电子从发射极注入到基极区占主导地位。 SiGeSn/GeSn HPT具有28.15 A/W的模拟光学响应度， SiGeSn/GeSn pin PD在反向偏压为1 V时具有0.97 A/W的响应度， 相比之下， 由于SiGeSn/GeSn HPT的电流增益， 其响应度显著高于SiGeSn/GeSn pin PD。 由此可见， 增加的光吸收、 改善的电流增益和降低的暗电流共同作用， 能够进一步提高器件的响应度。 文献［29］提出的硅基GeSn异质结光电晶体管探测器在较高温度下的探测率表现出优异的性能， 由于光谱响应度的增加， 器件的探测率和响应时间都随着工作温度的增加而增加， 与现有的PD相比， 该器件具有高探测率、 高灵敏度和低响应时间。

上述锗/硅中波红外光电探测器有着优异的性能， 但是在生长过程中也有一些缺陷。 由于锗和硅的晶格常数不同， 将锗直接生长在硅上会存在4.2%的晶格失配的问题， 导致位错和应力， 增加暗电流， 从而降低了探测器的信噪比和探测能力， 可以通过生长合金作为缓冲层， 调整晶格常数来实现晶格匹配， 消除错位； 由于锗和硅的热膨胀系数不同， 在生长和冷却的过程中会产生热应变， 导致材料的性质变化和器件的性能降低， 可以在锗和硅之间引入具有不同热膨胀系数的材料实现热应变平衡， 或者使用热导率高的材料、 优化器件结构促进散热。

2 石墨烯探测器

石墨烯由于其独特的二维结构和多功能的电子和光学性质， 在高性能光电子器件的开发中受到极大关注， 已成为研究最广泛的2D材料^［32-34］。 特别是石墨烯表现出超高的载流子迁移率， 在低温下达到 2×10^-5 cm2/Vs^［35］， 极大地促进了载流子的输运， 并且单层石墨烯在 400～800 nm 波长范围内仅吸收 2.3%的入射光^［36］。 此外， 石墨烯还具有高导电性的半金属功能^［37-38］。 这种低光吸收和高导电性的独特结合使石墨烯成为潜在的透明电极^［39-40］。 因此， 可以通过将石墨烯转移到半导体上来形成肖特基结光电二极管， 这为太阳能电池二极管器件、 光电探测器和传感器提供了有利平台。