半導(dǎo)體所在硅基鍺錫中紅外探測器方面取得進(jìn)展

半導(dǎo)體所集成光電子學(xué)國家重點實驗室成步文研究團(tuán)隊研制出工作在中紅外波段的硅基鍺錫探測器。這是研究團(tuán)隊在鍺錫材料外延生長取得突破之后，在鍺錫光電器件方面取得的又一重要進(jìn)展。 

中紅外光子學(xué)在生物傳感、自由空間通信和氣體檢測等領(lǐng)域存在重要應(yīng)用前景。隨著中紅外應(yīng)用場景不斷拓展，高集成度、高可靠性、低成本和小尺寸是中紅外光子學(xué)發(fā)展的重要趨勢。硅基中紅外光電集成技術(shù)利用先進(jìn)成熟的CMOS工藝，將微電子和光電子集成在硅芯片上，可以滿足中紅外光子學(xué)發(fā)展的需求。鍺錫是Ⅳ族硅基半導(dǎo)體材料，通過調(diào)節(jié)合金的組分配比，其光學(xué)帶隙可以延伸至中波紅外，是制備硅基中紅外光電子器件的理想材料。 

然而，硅基襯底上外延鍺錫薄膜存在晶格失配和錫易分凝等難題，高質(zhì)量高錫組分鍺錫外延難度非常高。團(tuán)隊成員鄭軍副研究員長期聚焦鍺錫光電子材料與器件研究工作。深入研究高錫組分鍺錫材料生長機理和器件物理，解決了高錫組分鍺錫的應(yīng)變馳豫和錫分凝難題，制備出3dB帶寬3GHz，探測截止波長3.3微米的高速硅基鍺錫探測器。圖1為硅襯底上中紅外鍺錫高速探測器的光響應(yīng)譜和頻率響應(yīng)譜，該成果發(fā)表在2022年3月Applied Physics Letters期刊上[Mingming Li, Jun Zheng et al，Applied Physics Letters 120, 121103 (2022)]，被選為“Editor’s Pick”文章。通過采用錫組分緩變技術(shù)調(diào)控高錫組分鍺錫材料中的應(yīng)變，研究團(tuán)隊進(jìn)一步將鍺錫探測器的探測截止波長拓展至4.2微米，峰值響應(yīng)度0.35A/W@1V。圖2為鍺錫探測器在77K的光響應(yīng)譜，相關(guān)成果發(fā)表在最新出版的Photonics Research期刊上。[Xiangquan Liu, Jun Zheng et al,Photonics Research 10, 1567 (2022)] 鍺錫中紅外探測器的工作標(biāo)志著我們在鍺錫材料分子束外延方面已經(jīng)取得重要進(jìn)展，對將來實現(xiàn)硅基紅外光電集成芯片有著具有重要的科學(xué)意義。 

該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索項目和中科院前沿科學(xué)重點研究項目等項目的支持。

圖1：鍺錫探測器的(a)光響應(yīng)譜;(b)頻率響應(yīng)譜

圖2：高錫組分鍺錫探測器在77K下的光響應(yīng)譜

編輯：了之