基于硅衬底的硒化铅薄膜MSM光电探测器：通过表面光子捕获孔阵列实现增强响应

一、 研究团队与发表信息

本项研究由Han Dou, Lixin Liu, Jun Gou, Chunyu Li, Xiutao Yang, Jin Chen, Jiayue Han, Hongxi Zhou, He Yu, Zhiming Wu, 和 Jun Wang* 共同完成。研究者们主要来自电子科技大学光电科学与工程学院和电子薄膜与集成器件国家重点实验室。该研究成果以论文形式发表于ACS Photonics期刊，于2024年8月23日在线发表，卷期号为2024, 11, 3688–3696。

二、 学术背景与研究目的

本研究属于红外光电子器件与硅基光子集成领域。红外探测器在军事和民用领域（如精确制导、夜视成像、人工智能、生物传感等）扮演着关键角色，其发展趋势是微型化和高度集成化。实现与互补金属氧化物半导体（CMOS）电子器件单芯片集成的硅基红外探测器是满足这一需求的关键。然而，硅在红外波段的低吸收系数严重限制了探测器的效率。

为解决这一瓶颈，将硅与窄带隙半导体材料结合是拓宽硅基光电探测器响应波长的有效途径。目前常用的材料包括锗（Ge）、锗锡（GeSn）和二维材料等，但它们各自存在局限性：Ge在1550 nm后吸收急剧下降且暗电流较高；GeSn探测器响应低、速度慢、暗电流高；二维材料吸收极低、器件结构复杂且大规模制造工艺不成熟。

相比之下，硒化铅（PbSe）具有0.28 eV的窄带隙，理论上可探测中红外波段，且在室温下具有更低的暗电流和更高的灵敏度。其制备工艺与硅基工艺完全兼容，有利于大面积制造和集成。在器件结构方面，金属-半导体-金属（MSM）光电二极管因其高速响应特性而备受关注，但其响应度通常较低，主要原因是叉指电极遮挡部分入射光，且半导体深处的弱电场影响了载流子收集效率。

为了增强光吸收，在半导体薄膜表面集成微结构已被证明是一种有效方法。本研究旨在解决传统硅基光电探测器探测波段窄、响应度低的问题，提出并验证一种在表面集成光子捕获孔阵列的硅基PbSe薄膜MSM光电探测器，旨在实现宽光谱范围（覆盖C波段及更宽波段）内的高效响应。

三、 详细研究流程

本研究遵循了“仿真设计-制备加工-性能测试-机理分析”的系统性研究流程，具体步骤如下：

1. 器件设计与仿真优化 * 研究目标：通过仿真优化器件结构参数，理解光子捕获孔阵列的作用机理。 * 研究方法与对象：采用时域有限差分法（Finite Difference Time Domain, FDTD） 对集成光子捕获孔阵列的PbSe薄膜MSM光电探测器进行建模和光学仿真。仿真模型为周期性结构单元。 * 具体流程与参数研究： * 仿真设置：入射光为800-1600 nm的高斯脉冲平面波。计算反射率（R）和透射率（T），吸收率（A）由公式 A = 1 - R - T 得出。 * 参数扫描研究：系统研究了以下关键参数对器件红外吸收的影响： * 薄膜厚度与衬底：比较了不同厚度（80 nm, 500 nm）PbSe薄膜在硅（Si）衬底和绝缘体上硅（SOI）衬底上的吸收特性。发现对于薄膜（80 nm），SOI衬底中的SiO₂层背反射能有效减少透射损失，提升吸收；对于厚膜（500 nm），PbSe自身强吸收使衬底影响减弱。 * 孔阵列结构：研究了孔直径（D）、周期（P）、深度（H）以及直径周期比（D/P）的影响。发现增大D/P可提升吸收，当D/P > 0.5时会出现明显的吸收峰，且吸收峰波长随D/P增大而蓝移。通过改变孔周期，可以调谐吸收峰的位置，例如周期为800、1000、1280和1520 nm时，分别在850、1064、1310和1550 nm波长处实现了超过90%的吸收。增加孔深度可以提升吸收并拓宽吸收峰，呈现宽带吸收特性。 * 顶部电极影响：在PbSe薄膜表面引入了线宽300 nm的叉指电极。仿真表明，电极增加了表面反射，导致吸收峰变窄，但在特定波长下，电极的周期性排列可能诱导表面等离子体共振，从而维持较高的峰值吸收。 * 机理分析仿真：为了深入理解孔阵列的光子捕获机制，研究人员模拟了1064 nm波长光垂直入射时，三种不同结构PbSe薄膜（80 nm无孔/SOI、80 nm有孔/SOI、500 nm有孔/Si）内部的电场分布。结果显示，孔阵列的引入导致了显著的光捕获效应：电场在孔内增强并发生横向传播，从而大幅提高了PbSe薄膜内的光场强度，增强了吸收。对于SOI衬底上的薄PbSe膜，SiO₂层的背反射进一步将光限制在腔内。

2. 器件制备与加工 * 研究目标：根据仿真优化结果，制备具有不同孔阵列结构的硅基PbSe薄膜MSM光电探测器。 * 研究对象与样本：在SOI衬底（1.5 μm Si器件层/3 μm SiO₂层）上制备了三种结构的器件作为对比： * 参照组：无孔阵列的PbSe薄膜MSM光电探测器。 * 实验组1：集成孔阵列，D/P = ⁷⁰⁰⁄₁₀₀₀ nm。 * 实验组2：集成孔阵列，D/P = ⁷⁰⁰⁄₂₃₃₃ nm。 * 具体制备流程： 1. 薄膜沉积：采用热蒸发工艺在SOI衬底上沉积80 nm厚的PbSe薄膜。蒸发源为高纯度（99.999%）PbSe粉末，蒸发温度650°C，速率0.05 Å/s。表征显示薄膜致密、均匀、表面光滑（均方根粗糙度约1.007 nm），Pb与Se元素比例接近1:1。 2. 电极制作：通过磁控溅射和剥离工艺，在PbSe薄膜上制作叉指电极。电极由10 nm铬（Cr）粘附层和100 nm金（Au）指条组成，指条宽度300 nm，间距1000 nm。 3. 孔阵列刻蚀：使用氩离子束刻蚀（IBE）工艺，在Au指条间的间隙区域刻蚀出方形晶格排列的圆柱形孔阵列。孔深度为150 nm，直径/周期比分别为700/1000 nm和700/2333 nm。 4. 器件成型：制备出活性区域直径为50 μm的完整MSM光电探测器器件。

3. 器件性能测试与表征 * 研究目标：测量并比较不同结构器件的光电性能，验证仿真预测。 * 研究方法与对象：对上述制备的三类器件进行了一系列电学和光学性能测试。 * 具体测试内容： * 暗电流-电压（I-V）特性：在无光照条件下测量。 * 光电响应：在不同波长（405-1550 nm）激光照射下，测量器件的响应度（Responsivity）和外量子效率（EQE）。特别测试了D/P=⁷⁰⁰⁄₁₀₀₀ nm器件在808 nm波长下不同光功率密度下的光电流，以评估线性度。 * 噪声谱：测量D/P=⁷⁰⁰⁄₁₀₀₀ nm器件在不同偏压下的噪声电流谱，用于计算比探测率（Specific Detectivity, D*）。 * 响应时间：测量器件在脉冲光照射下的上升时间和恢复时间。 * 数据分析流程：将实验测得的响应度、EQE等数据与FDTD仿真的吸收谱进行对比分析，评估孔阵列对性能提升的实际效果，并分析可能存在的偏差原因。

四、 主要研究结果

1. 暗电流与光电线性响应：集成孔阵列的器件暗电流高于无孔器件，这归因于高能IBE工艺引入的缺陷（空位、位错、表面态）。不过，D/P=⁷⁰⁰⁄₁₀₀₀ nm器件在808 nm光照下的光电流与光功率密度呈现良好的线性关系，最大光电流在942 mW/cm²功率密度下达到8.1 μA。

2. 响应度与量子效率显著增强：实验结果表明，集成光子捕获孔阵列能大幅提升器件在所有测试波长（405-1550 nm）的响应度。其中，D/P=⁷⁰⁰⁄₁₀₀₀ nm的孔阵列效果最为显著。

   • 在808 nm处，无孔器件响应度为0.2 A/W，而D/P=⁷⁰⁰⁄₁₀₀₀ nm器件提升至0.449 A/W。
   • 与无孔器件相比，D/P=⁷⁰⁰⁄₁₀₀₀ nm器件在808、1064、1310和1550 nm波长的响应度分别提升了225%、267%、334%和357%。
   • 外量子效率（EQE）同样得到大幅改善。例如，在1550 nm处，EQE从6.5%提升至22.9%（提升352%）。在低光功率密度下观察到光电导增益，这归因于外加偏压下叉指电极小间距内光生载流子渡越时间的减少。

3. 仿真与实验的一致性及偏差：测得的EQE与仿真的吸收谱趋势吻合良好，证实了孔阵列增强吸收的理论预测。然而，实测EQE值普遍低于仿真吸收值，作者分析可能的原因包括：孔尺寸的实际加工偏差，以及IBE工艺中高能离子引入的缺陷增加了光生电子-空穴对的复合率。

4. 噪声与比探测率：器件的噪声以1/f噪声为主，热噪声和散粒噪声较小。在2 V偏压下，D/P=⁷⁰⁰⁄₁₀₀₀ nm器件在808 nm和1550 nm处获得了最大的比探测率D*，分别为1.474 × 10^9 Jones和9.3 × 10^8 Jones。相较于无孔器件，在808 nm和1550 nm处的D*分别提升了235%和445%。

5. 响应速度：D/P=⁷⁰⁰⁄₁₀₀₀ nm器件的响应速度（上升时间277.8 μs，恢复时间48.49 μs）快于D/P=⁷⁰⁰⁄₂₃₃₃ nm的器件（上升时间611.56 μs，恢复时间84.27 μs）。这得益于更小的电极间距（载流子渡越时间更短）和更高的孔占空比（降低了活性区电容，即RC时间常数更小）。但整体响应速度仍相对较慢，文章指出这主要受限于真空蒸发法制备的PbSe薄膜的载流子迁移率较低（0.567 cm²/V·s）。

五、 研究结论与价值

本研究通过系统的仿真设计、器件制备与测试，成功验证了表面集成光子捕获孔阵列可有效增强硅基PbSe薄膜MSM光电探测器的性能。主要结论如下： 1. 性能提升：孔阵列通过减少表面反射和诱导垂直入射光产生横向慢传播模式，实现了光子捕获和吸收增强。优化后的器件（D/P=⁷⁰⁰⁄₁₀₀₀ nm）在808-1550 nm宽光谱范围内响应度获得225%-357%的显著提升，比探测率最高达到~1.5×10^9 Jones。 2. 光谱调谐性：通过改变孔阵列的周期，可以调谐器件的峰值吸收波长，为实现光谱选择性探测提供了可能。 3. 技术路径：该研究为开发高效率、宽光谱响应的硅基单芯片集成光电探测器提供了一种新方法。所采用的PbSe热蒸发沉积和孔阵列IBE刻蚀工艺与硅基CMOS工艺兼容，具有良好的可扩展性和重复性。

科学价值：深入揭示了亚波长孔阵列在窄带隙半导体薄膜中增强光吸收的物理机制（光子捕获、横向波导模式、背反射腔效应），为设计高性能微纳结构光电器件提供了理论指导和设计范例。

应用价值：这项技术使得硅基PbSe MSM光电二极管有望覆盖C、L乃至更宽的红外波段，为低成本红外传感和通信应用提供了有前景的器件解决方案。

六、 研究亮点

1. 创新性的器件结构：首次提出并将光子捕获孔阵列与硅基PbSe薄膜MSM探测器相结合，巧妙地将用于太阳能电池的光管理策略应用于红外光电探测器，实现了宽谱响应的显著增强。
2. 系统性的设计方法：采用FDTD仿真全面优化了从材料厚度、衬底选择到孔结构参数、电极影响的所有关键设计变量，为实验制备提供了精确的蓝图。
3. 显著的性能提升：在保持工艺相对简单（薄膜蒸发+IBE刻蚀）的前提下，实现了多个通信波段（尤其是1310 nm和1550 nm）响应度数倍的提升，验证了该方案的强大效力。
4. 明确的机理关联：不仅展示了性能结果，还通过电场分布仿真直观揭示了孔阵列引起的光场局域化和横向传播效应，将结构设计与物理机理紧密联系。
5. 工艺兼容性与实用性：强调所用材料（PbSe）和工艺（热蒸发、IBE）与硅基大规模制造的兼容性，指出了通过改进薄膜质量（如采用气相沉积、后退火）可进一步优化响应速度，使研究兼具学术前沿性和工程实践价值。

七、 其他有价值的内容

文中通过对比表格（支持信息Table S1）将本研究器件的性能与现有基于PbSe及其他材料（如Ge、GeSn、二维材料）的红外探测器进行了全面比较，突出了本工作在响应度、光谱范围、工艺复杂性等方面的综合优势。同时，作者也客观分析了当前器件的不足（如暗电流因IBE工艺升高、响应速度受限于薄膜迁移率），并提出了可行的改进方向（表面钝化、优化薄膜生长工艺），体现了研究的严谨性和前瞻性。