近日，闽南师范大学物理与信息工程学院“硅基半导体光电芯片研发创新团队”黄志伟副教授在 Si 基肖特基光电探测器领域取得进展，该成果以“532 - 2200 nm Si Schottky photodetectors featuring non-uniform barrier layers”为题发表于电子器件领域权威期刊《IEEE Transactions on Electron Devices》。
Si 在超过1100 nm 波长处的有限光吸收限制了 Si 光电探测器在近红外波段的实际应用。虽然 Si 肖特基光电探测器利用内部光发射机制可以拓宽光探测波长。但在大多数研究中，它们的截止波长仍然限制在1550 nm左右。尽管降低肖特基势垒高度可以扩展光响应范围，但也不可避免地导致暗电流急剧增加，从而影响器件的性能。因此，开发符合光通信标准的高性价比、高性能的近红外光电探测器仍然是一个重大的技术挑战。鉴于此，本工作通过在 ITO/n-Si 接触界面引入由 Au NPs 组成的非均匀势垒调制界面层，实现了宽带纯 Si 肖特基光电探测器。制备的 ITO/Au NPs/n-Si 结构在暗电流抑制和延长光响应截止波长之间实现了性能权衡，在保持低暗电流水平的同时实现了显著的光谱展宽。
实验结果表明，器件肖特基接触界面由两个不同区域组成(图1)：具备高势垒高度的 ITO/Au/Si 界面以及具备低势垒高度的 ITO/Si 界面(Au NPs边缘区域，此区域 Au 较薄或不连续)。在暗态下，较高的势垒高度(0.77 eV)可以有效抑制载流子输运，从而显著抑制暗电流至33 nA(6.5×10-6 A/cm2)，与传统 ITO/Si 器件相比降幅约三个数量级(图2 (a))。在光照下，Au NPs 的局部表面等离子体共振效应将光子能量限制在低势垒区域(0.52 eV),有效拓宽光探测波长至2200 nm。此外，器件在自启动模式下可实现532 - 2200 nm波段光探测(图2 (b))，并可在室温下实现稳定的近红外成像应用。该设计为近红外通信频段的全 Si 宽带光探测提供了一种低成本、易于制造的解决方案，在下一代光电应用中显示了巨大的潜力。
图1. ITO/Au NPs/Si 能带机理图。
图2 (a)暗电流密度对比，(b) 532-2200 nm 自启动光响应曲线。
闽南师范大学为该工作唯一完成单位，我院2023级硕士研究生葛勇康为论文第一作者，黄志伟副教授为唯一通讯作者。研究得到了福建省自然科学基金 (2023J05186)，福建省中青年教师教育科研重点项目 (JZ230030)资助。
论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/11008550
（图/文：黄志伟）
