以光為信息載體實現(xiàn)通信的光通信技術,憑借優(yōu)異的速度傳輸性能和強大的信息容量成為現(xiàn)代社會最重要的技術之一。其中硅光子學,與成熟的互補金屬氧化物半導體(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現(xiàn)逐漸成為短程光通信中最具前景的技術。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用于可見光譜范圍(0.4-0.7μm),但通訊窗口1.31和1.55μm的近紅外光子能量并不足以克服Si帶隙(1.12 eV)誘導光生電流,因此如何實現(xiàn)硅基探測器1.1μm以上的近紅外探測仍然是發(fā)展單片光電集成技術所面臨的難題。近年來,硅基肖特基二極管基于獨特的內(nèi)光電發(fā)射機制而備受關注,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)探測器存在響應低的缺陷,用透明導電玻璃(ITO)代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬可以有效改善器件響應度,但也面臨暗電流過大的問題,嚴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并且有足夠的響應,同時進一步降低器件暗電流提升其靈敏度,是實現(xiàn)高性能近紅外硅基探測器的關鍵。
近日,中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心清潔能源實驗室E03組博士生李欣欣在陳弘研究員、鄧震副研究員的指導下,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了重要進展。實驗結(jié)果表明,高功函數(shù)Au的加入有效地提高了肖特基勢壘高度從而極大地抑制了器件暗電流,-1V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)。同時基于Au是延展性最好的金屬,進一步減小中間插入層Au的厚度,結(jié)果顯示2nm 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)。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1.55μm甚至更長波段的光譜探測方面有重要應用。
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。
相關工作得到了國家自然科學基金(61991441, 11574362, 61804176)的支持。
文章下載鏈接: https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=prj-8-11-1662

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、(b)半對數(shù)坐標下0nm和6nm Au肖特基光電探測器暗態(tài)室溫J-V特性。
(c) 6nm Au探測器J-V溫度依賴特性。(d) Ln(J/T2)和1000/T關系圖。
(e)1310 nm、(f)1064 nm激光下室溫光、暗態(tài)J-V特性。
圖3. (a) 2-6nm Au肖特基光電探測器暗態(tài)室溫J-V特性。
(b) 0-6nm Au肖特基光電探測器Ln(J/T2)和1000/T關系圖。
(c) 零偏壓下1100-1700nm器件光響應。 (d) 1310nm激光下器件光電流隨偏壓變化。
(f) 1310nm激光下器件-1V下的暗電流、光電流以及光/暗電流之比。
新聞鏈接:http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/202010/t20201016_5717556.html
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