不同结构及新型材料在硅基光电探测器上的应用展望

李浩杰 冯松 胡祥建 后林军 欧阳杰 郭少凯

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， 覆盖了短波红外光譜的大部分范围。

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靈敏度， 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。

2021年， Tang等提出了一种用石墨烯代替原有的p-Si形成Gr/n-Si肖特基结光电器件［9］， 器件结构如图8所示。 在N型硅上采用化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition， CVD）外延工艺生长了一层P型硅形成PN结， 然后用磁控溅射生长Ti/Pt/Au作为背电极， 用银（Ag）形成器件的前后电极。 对于肖特基结， 采用PECVD方法生长了SiNx绝缘层， 利用RIE在窗口部分刻蚀SiNx以暴露Si衬底， 然后转移石墨烯时使用了一种铜基单层石墨烯薄膜， 在铜基石墨烯薄膜的石墨烯侧面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate， PMMA）作为支撑层， 然后在溶液中洗去铜箔， 再将PMMA/Gr转移到制备的Si衬底上， 最后将PMMA/Gr/Si样品放入丙酮溶液中去除PMMA制成最终的器件。 当入射光功率为1 mW时， Gr/n-Si肖特基结光电探测器和p-Si/n-Si肖特基结光电探测器的电流分别为1.9×10-4  A和8.5×10-5  A。 实验结果表明， Gr/n-Si肖特基结光电探测器的光电流明显高于p-Si/n-Si肖特基结光电探测器， 暗电流明显低于p-Si/n-Si肖特基结光电探测器。 在808 nm激光照射下， 势垒高度达到0.938 eV， 量子效率（Quantum Efficiency）提高了71%。 与p-Si/n-Si光电探测器相比， 其光响应度和检测率分别提高了0.456 A/W和7.96×1011 cm·Hz1/2·W-1。

表1总结了近年来基于PIN结构和肖特基结构探测器的性能参数。 由表可知， 基于PIN结构， 2019年由Daniel等报道的硅基光电探测器相比于其他文献中所报道的硅基探测器有着更高的响应度， 响应度为1.16 A/W。 高响应度得益于该器件采用Si/Ge/Si异质结结构， 将整个器件集成在光波导末端， 使得光吸收沿着光模式传播方向并垂直于载流子收集路径。 这种设计有效避开了传统器件设计中的响应度和响应速度之间的制约， 极大地提高了器件的响应度； 基于肖特基结构， 2017年Shen等联合报道的硅基光电探测器， 相比于其他文献中所报道的硅基光电探测器有着较高的响应度和更低的暗电流， 分别为0.52 A/W和2.0×10-12  A。 器件采用石墨烯/硅肖特基结构， 利用了石墨烯的高透光率和硅的高光吸收率特点。 对于传统石墨烯/硅肖特基光电探测器而言， 在转移石墨烯作为电极的过程中， 会产生金属催化剂污染与工艺不兼容的问题， 从而导致低的响应度和大的暗电流。 而该器件采用无金属原位生长工艺直接生长的石墨烯纳米壁作为电极， 极大地缓解了上述兼容性和污染问题。 生长工艺的改进使该器件有较高的响应度和低的暗电流。

2 基于不同材料的硅基光电探测器

2.1 基于GeSn材料

锗锡（GeSn）为CMOS兼容的光电子器件提供了巨大的优势。 目前市场上占主导地位的短波红外（SWIR）探测器主要采用昂贵的III-V（如InGaAs和InSb）和II-VI（HgCdTe）材料。 因此， 急需开发一种低成本、 高性能并且能够用于SWIR探测器的替代材料。 IV族GeSn合金的成功开发为新一代红外探测器开辟了一条道路。 GeSn合金因以下特性而引起广泛的关注： 在Ge中加入少量的Sn改变了其电子能带结构， 有效缩小了Ge的直接带隙。 随着Ge1-xSnx中x的增加和带隙的减小， 光吸收波长范围扩展到1 550 nm以上。 此外， 在给定波长下， Ge1-xSnx合金的吸收系数α比Ge高， 这是由于其较小的禁带隙和合金无序， 使其成为一种非常有前途的短波红外波段的光电探测材料。 高质量的Ge1-xSnx合金可以在Si衬底上的Ge缓冲层上生长， 使得Ge1-xSnx光电二极管能够与其他硅光子和电子器件单片集成， 从而实现紧凑、 低成本和多功能的光电集成电路。

2019年， 集成光电子学实验室报道了一种具有高质量Ge0.94Sn0.06吸收层的硅PIN光电探测器［24］。 实验中为了最大程度上缓解生长GeSn材料产生的晶格失配、 位错等问题， 采用多重循环退火的方式， 利用MBE技术生长高品质的GeSn合金。 多循环退火使Ge緩冲层中的位错最小化， 同时在外延Ge缓冲层中引入拉伸应变。 这种拉伸应变可以部分缓解后续外延GeSn层中大的晶格失配所引起的应变， 从而优化GeSn层的质量。 该器件首先采用固体源分子束外延技术在N+型Si衬底上进行生长， 外延层由Ge缓冲层和Ge0.94Sn0.06吸收层组成， 并在600 ℃至800 ℃进行多次退火， 以提高Ge和GeSn层的质量。 为了形成P+ Ge0.94Sn0.06接触， 将GeSn层顶部注入氟化硼离子（BF2+）， 然后采用PECVD方法在材料表面沉积了一层SiO2膜， 用于钝化和减少表面反射处理， 再采用电子束蒸发法在顶部GeSn层和Si衬底上沉积电极， 最后采用剥离工艺制备了Ni/Al电极。 器件结构如图9所示。 该光电探测器在1 550 nm和2 μm处的响应度分别达到0.45 A/W和0.12 A/W。 在偏压为-1 V的情况下，  实现了截止波长为2.3  μm的宽光谱探测， 暗电流密度为0.078 A/cm2。 该研究为制备硅基短波红外探测GeSn PIN光电探测器提供了一种很新颖的方法。

2019年， Tran提出了一种高性能GeSn硅基光电探测器［25］。 图10展示了器件的横截面图。 实验GeSn材料采用工业标准ASM Epsilon 2000 Plus减压化学气相沉积系统（RPCVD）制得。 首先利用低温/高温两步生长和热退火法制备了厚度约为600 nm的Ge缓冲层， 然后在温度大于800 ℃进行原位退火， 最后GeSn材料在200～400 ℃的Ge缓冲液上开始生长。 GeSn显示了缺陷底层和高质量顶层两层特性。 Ge0.89Sn0.11层的N型和P型掺杂浓度分别为2×1018 cm-3和1×1017  cm-3。 耗尽区宽度主要位于高质量GeSn层（图中的P型）； 此外， 在耗尽区边缘的GeSn缺陷底层是为了有效收集大多数光生载流子， 然后对器件顶部和侧壁沉积一层GeON用来钝化器件， 用Cr/Au制作电极。 在该报道中， 对硅基GeSn中红外光探测器进行了全面的研究， 其中， 若Sn的含量在10.5%～22.3%之间， 则探测器的截止波长可以扩展到3.65 μm。 在温度为77 K下测得的最大比探测率（D*）为1.1×1010 cm·Hz1/2·W-1， 与商用扩展InGaAs探测器的D*相当， 并且提出了一种光电二极管表面钝化技术， 有效降低了暗电流。

2021年， 集成光电子学实验室报道了一种用于2 μm波长的正入射PIN Ge0.951Sn0.049光电探测器［26］。 实验所用的材料都是通过在SOI衬底上采用MBE生长， 使用两步生长工艺生长的200 nm厚的Ge缓冲层。 为了减少晶格失配位错， Ge缓冲层在生长后从600 ℃至750 ℃的循环退火。 最后在200 ℃下沉积350 nm厚的GeSn合金层， 并且在相同温度下生长100 nm厚的P型硼掺杂的GeSn层， 以避免GeSn层中Sn原子的偏析。 利用P+型GeSn层、 吸收层（包括Ge缓冲层和GeSn层）和N+型接触层实现了PIN GeSn光电探测器。 为了降低表面暗电流， 利用PECVD在表面和侧壁沉积SiO2钝化层。 为了减小表面反射及保护金属电极， 用PECVD沉积了SiNx层。 器件结构如图11所示。 当Ge的含量和Sn的含量分别为95.1%和4.9%时， 该器件在室温下获得了约为125 mA/cm2的暗电流密度； 在施加反向偏压且在2 μm的波长光照下， 实现了14 mA/W的光学响应； 此外， 在-3 V下实现了约30 GHz的3 dB带宽， 这是在2 μm波长范围内的III-V族和IV族光电探测器中报道的最高值。

2022年， 加尔各答大学提出了一种具有无应变无缺陷GeSn有源层的垂直PIN同质结波导光电探测器（Waveguide Photodetector，  WGPD）［27］。  该探测器采用窄间隙GeSn合金作为有源层， 可以完全覆盖整个2 μm波段。 因为波导结构允许光子吸收路径和载流子收集路径解耦， 从而允许在2 μm波段同时实现高响应度和高带宽工作， 器件结构如图12所示。 本征Ge1-xSnx吸收区在两个重掺杂的P型和N型Ge1-xSnx层之间， 掺杂浓度为1×1019 cm-3。 整个垂直PIN结构是在Si或SOI衬底上通过Ge1-xSnx虚拟衬底（Virtual  Substrate，  VS）生长的，  形成了晶格匹配的无应变GeSn PIN同质结结构。 WGPD在p-Ge1-xSnx的顶面上具有脊状结构， 并由SiO2层覆盖，作为Ge1-xSnx同质结的电隔离层和波导的包层， 所设计的器件在2 μm波长下有着最佳性能。 当Sn浓度为10%时， GeSn WGPD在室温下的响应度为1.549 A/W， 带宽为97 GHz， 探测率为6.12×1010  cm·Hz1/2·W-1。

表2总结了近年来基于GeSn材料不同结构探测器的性能参数。 由表可知， 2015年由阿肯色大学Pham等报道的基于PC结构Sn含量为10%的硅基光电探测器有着较大的响应度（2.85 A/W）。 这是由于传统结构的探测器两电极之间的距离较大， 载流子通过时间大于其有效寿命， 因此， 光生载流子在被电极收集之前可能发生复合， 导致低增益。 该探测器相比于其他结构的GeSn光电探测器， 高响应度得益于对器件的电极进行设计优化， 减少了载流子的通过时间， 同时增加了其有效寿命， 最终可以获得较高的增益。 但同时该器件也有着较大的暗电流密度（7.7 A/cm2），  这是由于该器件的材料在生长的过程中缺陷密度过大导致暗电流过高。 但在2016年， 文献［28］报道的基于PIN结构Sn含量为2.5%的光电探测器有着近年来较低的暗电流密度， 仅为1 mA/cm2。 这是由于该器件沉积了一层SiO2用来降低缺陷密度并防止表面暗电流， 所以相比于其他器件暗电流要小的多。 但是该器件想要达到峰值响应度就需要采用液氮降低温度， 还需要进一步优化结构以提高响应性能。

总之， GeSn合金在硅基光电探测器应用方面取得了显著进展。 通过调节合金成分， 进而实现带隙调控， 极大地拓宽了探测器探测波段范围， 使探测器的适用范围变得更加广阔。 通过优化生长和制备工艺， 从而获得更高质量的GeSn合金， 减少了由缺陷、 界面等引起的暗电流， 并且提升了探测器的稳定性和可靠性， 为未来探测器商用和工业化使用提供了保障。

2.2 基于二维材料

自2004年石墨烯提出以来， 凭借其高载流子迁移率、 柔韧性、 强光-物质相互作用和宽带吸收等优异特性， 引起了科学界的广泛关注。 尽管石墨烯具有微弱的光吸收和零带隙， 但作为光电器件的活性材料， 石墨烯已经具有令人印象深刻的特性。 这种材料将用于下一代光电设备， 特别是光电探测器。 事实上， 大多数二维材料都可以生长在许多衬底材料上， 如Cu， Ni， Pt， Au， Si， SiO2等， 为开发用于红外检测的肖特基结开辟了道路。 使用二维材料代替金属是相对较新的方法， 它使得硅基光电探测器在探测红外区域具有很广阔的前景。

2017年， Wang等提出了一种用于高速紫外检测的石墨烯增强硅肖特基光电探测器［36］， 器件结构如图13所示。 由于石墨烯的半金属性质， 石墨烯与硅之间形成了肖特基结。 石墨烯/硅界面是最大内建电场的耗尽区， 这有利于光生电子-空穴对的快速分离， 而无需外加任何偏压， 使光电探测器具有自供电能力， 采用Al2O3减反射层后， 使Gr/Si紫外光探测器的稳定性和响应性得到进一步提高。 在近紫外和中紫外光譜区， 该紫外光探测器在零偏压（自供电）模式下有着0.2 A/W的光响应率、 5 ns的快时间响应和1.6×1013 Jones的高比探测率， IQE效率大于100%。 此外， 在200～400 nm波长范围内， 光响应率大于0.14 A/W， 与目前最先进的Si， GaN， SiC肖特基光电探测器相当。

2021年， Zhao等设计了一种基于石墨烯/硅纳米截锥阵列的高量子效率宽带光电探测器［37］。 与平面硅或硅纳米柱相比， 纳米截锥阵列（NTCAs）进一步增强了光吸收。 器件结构如图14所示。 采用RIE的方法， 在硅晶片上制备了垂直有序的硅纳米截锥阵列， 通过PMMA辅助工艺将3～5层石墨烯转移到Si NTCAS的顶部， 并用银浆在石墨烯表面沉积银电极， 利用石墨烯薄膜和硅衬底收集光生载流子。 这种异质结结构克服了传统硅基光电探测器中的弱光吸收和表面复合。 同时， 石墨烯既可以作为光谱吸收层， 也可以作为透明电极， 提高了异质结器件的响应速度。 该光电探测器在780 nm波长下具有97%的QE、 4.286×1011 cm·Hz1/2·W-1的探测率和60/105 μs的短上升/下降时间， 检测带宽从紫外（UV）到近红外（NIR）区域（350～1 550 nm）。

2022年， Wang等提出了一种高速波导集成PdSe2光电探测器［38］。 由于PdSe2具有褶皱的蜂窝状晶格， 在正常实验室环境中具有优异的物理和化学稳定性， 并且具有高载流子迁移率和非零带隙。 这些特性使得PdSe2可以用作制造高速光电探测器的材料。 器件结构如图15所示。 首先， 通过电子束光刻（Electron Beam Lithography， EBL）图形化和深度反应离子刻蚀（Deep Reactive Ion Etching， DRIE）制备了硅波导。 硅波导可以增强与二维材料的光-物质相互作用的物理长度， 与通过表面光照原子级吸收长度相比， 通过沿着硅波导传播方向的倏逝波耦合有着更强的面内吸收， 然后用PECVD在芯层上沉积了SiO2层， Ti/Au电极用电子束蒸发沉积制得。 最后， 采用传统的湿转移方法将PdSe2转移到波导上。 由结果讨论可知， 在1 550 nm处， 光电探测器的无偏压响应度为0.57 mA/W； 在6 V偏压下， 光电探测器的响应度为20 mA/W， 3 dB带宽约为40 GHz。 该光电探测器的工作波长覆盖1 450～1 650 nm的宽通信波段， 并可扩展到更长的波长。 结果表明， 二维层状PdSe2是一种具有竞争力的红外光探测器候选材料， 与石墨烯相比， 多层PdSe2具有更窄的带隙， 并且在增加偏置电压时可以减小暗电流， 为设计高性能片上光电探测器提供了一个有前景的解决方案。

2022年， Wu等报道了一种将PdSe2与硅波导集成用于片上光检测的光电探测器［39］， 如图16所示。 该器件是将多层PdSe2与SOI脊波导集成在一起。 硅波导被轻掺杂， 重掺杂区域在适当的距离上接近波导。 硅波导不但可以保证光在长距离传播上通过倏逝场耦合充分吸收， 而且还能减少光生载流子的传输时间， 极大地提高了探测器的响应度和响应速度。 为避免光生载流子在PdSe2薄片和硅波导之间转移， 还沉积了Al2O3薄膜， 再沉积两个Ti/Au放置在直波导周围， 最后将PdSe2转移到波导的顶部。 PdSe2波导集成光电探测器在1 550 nm@ 5 V下工作， 器件具有1 758.7 mA/W的高响应度， 3 dB带宽可达1.5 GHz， 4.0 pW·Hz-0.5的低噪声等效功率。

表3总结了近年来基于不同二维材料光电探测器的性能参数。 由表可知， 2018年由Jo等报道的基于ReS2和ReSe2材料相比于其他二维材料有着1.58×108 mA/W的高响应度。 该器件的设计基于ReS2和ReSe2组成的范德瓦尔斯异质结结构中的层间光跃迁现象， 采用了一个由ReS2和ReSe2组成的异质结结构， 并且通过在范德瓦尔斯材料上使用Ti金属接触， 之后再引入一种新的栅端去控制异质结界面， 最后不但扩宽了检测范围， 而且还获得了很高的光响应度。 2022年由Wang等报道的基于PdSe2材料有着40 GHz的高带宽。 该器件利用PdSe2较窄的带隙和较高的载流子迁移率， 通过CVD工艺将多层PdSe2转移到硅波导上， 最终获得了较大的带宽。 所集成的光电探测器不但有较小的暗电流， 而且在空气中的稳定性和集成的可扩展性要优于其他二维材料。 值得一提的是， 该器件在增加偏置电压时可以降低暗电流。 这得益于层状PdSe2材料可以通过调节材料的层数， 进而调控材料带隙，  因此可使用更薄的PdSe2薄膜使得带隙变宽， 或者通过在器件中插入隧穿势垒实现更小的暗电流。

由于硅是当前器件使用最广、 最主要的衬底材料， 而二维材料性能优异， 与硅有着优良的兼容性， 通过对二维材料进行层叠、 掺杂、 应变等方法， 使其能带结构和光学性质变得可控调节， 所以二者结合不但能提升探测器的光电转换效率、 响应度等性能， 而且还可以实现更紧凑和可定制的硅基光电探测器。

3 结  论

随着技术的发展， 硅光子学取得了惊人的进展。 对于器件而言， 硅光子器件可以很好地与CMOS工艺兼容， 在器件的尺寸和成本等方面有着很大的优势。 如今可以用不同光电特性的材料和不同的结构去增强硅基光电探测器的性能。 虽然目前所报道的硅基光电探测器有着优异的性能， 但是依旧有些不足亟待解决。

首先， 对于PIN结构而言， 为了提高探测器性能， 可以通过引入不同纳米结构、 表面增强效应等， 以提高探测器的响应度， 还可以通过与无源器件的结合， 如MMI、 光栅耦合器、 微环谐振器等， 使探测器对光的吸收更加均匀和充分。 对于肖特基结构而言， 现有的肖特基光电探测器在光吸收和载流子收集效率方面仍有很大的提升空间。 未来将集中于提高光吸收效率和肖特基接触的质量， 以提高探测器的灵敏度。 噪声方面在低光水平下显得尤为重要， 因此想要进一步降低探测器的噪声， 就必须优化材料制备过程， 最大程度上改善晶格质量和界面态密度。 此外， 通过对器件结构的改进， 可以進一步优化载流子传输路径和减小电流传输长度， 从而提高探测器的响应速度。

其次， 对于GeSn光电探测器而言， 由于存在电容结构， 因此可能存在较高的电容噪声从而降低探测器的信噪比； 制造GeSn需要特殊的工艺和设备， 制造成本较高， 并且器件的稳定性还需进一步改善。 为了增强GeSn材料的光吸收， 可以采用量子限制效应和表面等离子体共振现象等增强光与材料的相互作用； 对于二维材料硅基光电探测器而言， 由于二维材料较薄导致其光吸收不足。 为了提高二维材料的光吸收， 除了引入纳米结构（纳米线、 纳米截锥阵列等）， 也可以通过堆叠多层二维材料来加大光吸收路径从而提高光吸收效率， 还可以进行功能化表面修饰， 通过调整功能化分子或结构的特性， 增强二维材料对目标波长光的吸收， 或引入等离子体共振效应等方式以提高器件的响应度， 例如通过在石墨烯表面附着具有等离子体共振性质的纳米颗粒或结构， 可以产生局域化电场增强效应， 从而增强光的吸收。 对于部分二维材料在空气中容易被氧化、 容易与周围环境发生反应造成探测器的稳定性下降， 可以通过包覆等方法去保护二维材料或者与其他材料结合制备复合型光电探测器， 提高探测器的性能。

未来硅基光电探测器的发展将集中体现在提升响应度和响应速度、 拓宽工作波长范围、 与光电子芯片进行高度集成互联等方面。 这些发展将推动硅基光电探测器在光通信、 光子学和生物医学等领域的应用， 并为未来的硅光子技术高速发展创造了可能。

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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