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盡管高性能近紅外（NIR）探測對于眾多應用至關(guān)重要，但當下最先進(jìn)的近紅外探測器要么在探測入射光子能力方面存在局限（即光譜響應度較差），要么由昂貴且與CMOS不兼容的III-V族材料制成。鍺（Ge）有望同時(shí)具備高性能、低成本和可擴展性。更重要的是，鍺材料與CMOS工藝完全兼容，原則上能夠使用現有的CMOS芯片生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行加工。實(shí)際上，基于鍺的光電二極管已經(jīng)在眾多領(lǐng)域實(shí)現商業(yè)應用。 

近日，由芬蘭阿爾托大學(xué)（Aalto University）、芬蘭ElFys公司和德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究所（Physikalisch-Technische Bundesanstalt）組成的研究團隊開(kāi)發(fā)了一種基于CMOS兼容的鍺制備的納米工程PIN光電二極管。該器件在室溫零偏置電壓下寬光譜范圍（1200 - 1600 nm）內，實(shí)現了超過(guò)90%的外部量子效率（EQE）。例如，在1550 nm波長(cháng)處的響應度可達1.15 A/W。除了在近紅外波段具有出色的光譜響應率外，該器件在可見(jiàn)光和紫外線(xiàn)波段仍保持了優(yōu)異性能（在300 nm以下的EQE甚至超過(guò)100%），從而實(shí)現了超寬光譜響應范圍。研究人員利用表面納米結構最大限度降低光學(xué)損耗，同時(shí)使用保形原子層沉積（ALD）氧化鋁（Al?O?）進(jìn)行表面鈍化，以及采用基于電介質(zhì)誘導電場(chǎng)的載流子收集取代傳統PN結來(lái)最大限度減少電損耗，最終實(shí)現了該器件的高性能。這項研究成果以“Near-infrared germanium PIN-photodiodes with >1A/W responsivity”為題發(fā)表在Light: Science & Applications期刊上。 

下圖展示了該納米結構鍺光電二極管的橫截面示意圖，該設計方案結合了納米結構的鍺表面、原子層沉積Al?O?表面鈍化以及用于載流子分離和空穴收集的帶負電荷的Al?O?誘導電場(chǎng)。與傳統的通過(guò)外部摻雜來(lái)形成PN結的方法不同，這項研究是在鍺納米結構的頂部施加了帶有固定電荷的介電層，從而避免與摻雜相關(guān)的復合。如果固定電荷與襯底摻雜極性相反，則表面層的載流子將開(kāi)始耗盡，僅留下電離的體摻雜原子。這一過(guò)程導致電荷極性在介電/半導體界面處發(fā)生改變，進(jìn)而在鍺表面產(chǎn)生強電場(chǎng)。

如下圖所示，研究人員將鍺光電二極管的光子能量轉化為電流的能力與波長(cháng)變化的函數關(guān)系圖，即光譜響應度。實(shí)驗結果顯示，該光電二極管在紫外波段（UV，200 nm）到近紅外波段（1700 nm）的超寬光譜范圍內能夠探測超過(guò)80%的入射光子（EQE＞80%），甚至在紫外波段，該光電二極管的EQE超過(guò)了100%。 在該研究中，研究人員選擇了三種針對不同波長(cháng)（1300 nm、1550 nm和1750 nm）性能最佳的銦鎵砷（InGaAs）光電二極管、一種其它研究中性能最佳的鍺光電二極管與本研究的納米結構鍺光電二極管進(jìn)行性能比較（如圖2）。研究結果顯示：（1）關(guān)于光譜響應度，納米結構鍺光電二極管的光譜響應度顯著(zhù)高于其它InGaAs光電二極管和鍺光電二極管。（2）關(guān)于暗電流，納米結構鍺光電二極管的暗電流顯著(zhù)低于其它鍺光電二極管；但由于鍺材料的固有載流子濃度更高，納米結構鍺光電二極管在室溫下的暗電流與InGaAs光電二極管不具備可比性。（3）關(guān)于比探測率（specific detectivity D*），納米結構鍺光電二極管在峰值響應波長(cháng)（1650 nm）的比探測率達到1.77 × 1011 Jones，顯著(zhù)優(yōu)于其它鍺光電二極管；但由于暗電流的顯著(zhù)差異，納米結構鍺光電二極管的比探測率無(wú)法超越InGaAs器件。

為了詳細研究納米結構鍺光電二極管表現出高性能的根本原因，研究人員對納米結構光電二極管的光譜反射率和空間反射率分布進(jìn)行了表征。下圖a展示了納米結構表面從紫外到近紅外波段的反射率都非常低（

為了進(jìn)一步闡明IQE行為，研究人員模擬了納米結構中的電場(chǎng)分布（如下圖a），以及納米結構內部的載流子濃度（如下圖c）。

綜上所述，這項研究開(kāi)發(fā)了一種用于近紅外探測的新型鍺PIN光電二極管，無(wú)需形成PN結和抗反射涂層。通過(guò)制備原型器件，研究人員證明了新型鍺PIN光電二極管的潛力，該器件在超寬光譜范圍（200 nm至1700 nm）實(shí)現了創(chuàng )紀錄的高光譜響應度、高EQE（在83%-125%之間）和低暗電流（在5 V時(shí)達到76 μA/cm2）。研究發(fā)現，該器件的高性能主要源于以下幾方面：（1）表面納米結構有效降低了反射損耗；（2）集中在表面附近的電介質(zhì)誘導電場(chǎng)顯著(zhù)提高了內部收集效率；（3）通過(guò)保形原子層沉積Al?O?涂層獲得高質(zhì)量的表面鈍化。這項研究提出的新型鍺光電二極管設計方案可直接用于最先進(jìn)鍺光電二極管的制備，從而為更高性能的近紅外應用提供新的解決方案。 論文鏈接： https://doi.org/10.1038/s41377-024-01670-4