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 基近红外光电探测器领域取得进展，研究成果以“300-2200 nm Broadband Si Schottky Photodetectors With Ultra-Low Dark Current via Al2O3/SiOx Interface Engineering”为题发表于光电子领域权威期刊《Journal of Lightwave Technology》(IEEE出版，JCR 1区Top期刊)。
光电探测器作为现代光电子信息系统的核心传感单元，其性能直接决定高速数据通信、环境侦察、夜视成像及生物医学诊断等前沿应用的技术突破。Si 材料虽具备 CMOS 工艺兼容、载流子迁移率高等优势，但其固有带隙(1.12 eV)将光谱响应限制在1100 nm以下，无法覆盖关键通信波段(1300-1600 nm)。当前研究面临核心挑战：如何在不牺牲暗电流性能的前提下扩展 Si 基探测器的长波红外响应能力。针对这一难题，研究团队创新性地设计了 ITO/Al2O3/SiOx/n-Si 肖特基光电探测器结构，通过 Al2O3/SiOx 双层界面工程协同调控载流子传输。器件制备采用原子层沉积(ALD)和磁控溅射技术：首先对 n-Si 衬底进行 RCA 清洗和 HF 处理去除原生氧化物，随后沉积2 nm厚 Al2O3 层，最后生长ITO顶电极和Al背电极。该结构通过优化界面特性，实现了暗电流抑制与宽带响应的完美平衡。
机理研究表明，Al2O3/SiOx 界面处的氧空位缺陷态诱导费米能级钉扎，将肖特基势垒高度提升至0.87 eV，从而将暗电流密度降至7.5×10-9 A/cm2(-2 V偏压)，为目前文献报道最低水平(图 1(a-b))。XPS 分析证实界面存在 AlOx和SiOx 氧化态，为载流子传输提供了亚带隙通道。
性能测试数据显示，器件在532 nm波长下响应度达0.59 A/W，比探测率最高为1.17×1012 Jones，且在300-2200 nm范围内呈现连续光谱响应(图1 (c-d))。值得注意的是，器件在零偏压下具备自供电特性，并在2200 nm波长下完成室温成像演示。长期稳定性测试表明，器件在800次循环后光电流无衰减，噪声等效功率(NEP)在1550 nm下低至微瓦级。
能带分析揭示了三级协同工作机制(图2)：300 - 1100 nm波段依赖 Si 的本征带间光吸收；1100 - 1440 nm波段通过肖特基内部光发射效应突破带隙限制；1440 - 2200 nm波段借助界面态缺陷辅助隧穿实现超长波探测。氧空位作为电子陷阱延长光生空穴寿命，进一步提升了器件响应度。
图1. (a-b) 不同 Al2O3 厚度器件暗电流，(c-d) 300-2200 nm宽谱响应。
图2. 能带机理图
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/11105777
（图/文：黄志伟）
