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我校在高灵敏窄带硅基探测器领域取得重要进展

日期:2020-07-06  稿件来源:电子科学与应用物理学院(微电子学院)  

图文

近日,电子科学与应用物理学院(微电子学院)先进半导体器件与光电集成实验室的王莉副教授与胡继刚副教授和罗林保教授合作,成功研发出一种峰值波长位于1060纳米的硅肖特基近红外窄带光电探测器。相关成果以“Highly Sensitive Narrowband Si Photodetector With Peak Response at Around 1060 nm”为题在线发表在国际著名杂志IEEE Tran. Electron Dev.上,该院研究生罗和昊和本科生陶继青分别为第二和第四作者。这一成果为实现高性能窄带探测器提供了新策略。

由于1060nm波长的光在人眼中被水的吸收和散射作用恰好可以达到平衡,以及1064nm激光器在高功率激光器中的主流地位,对于1060nm附近波段光的探测技术在医学成像、光通讯系统和测距探测等方面均具有重要的应用价值。提高探测系统的抗噪性较为有效的手段是使用仅对特定信号波段的光有响应的光电探测器。为了实现窄带探测,在商业上多采用在宽光谱探测器前增加滤光片的复杂结构来进行特定波长的探测。目前对1060nm窄带探测器的研究非常匮乏,仅通过窄带隙材料、热电子机制、电荷收集机制等方法实现了对于其他波长的窄带探测。但使用的材料多为稳定性较差的有机光敏材料,制备工艺条件要求高,且需外加供应电源,不利于进行器件的集成化。

该研究团队在深入分析了上述问题的基础上,提出了一种自驱动近红外1060nm波长窄带探测器,它采用简单的硅肖特基结构,迎光面为带透光孔的欧姆电极,背光面为肖特基电极。该探测器主要是利用了硅衬底的自滤光效应以及肖特基结的可控光电流产生区来实现窄带探测(图1)。其对紫外及可见光几乎无响应,仅在1060纳米附近有探测峰,半高宽为107nm。在零偏压下该器件的比探测率可达∼1×1011Jones,线性动态范围约为101 dB(图2)。由于存在内部增益机制,它的外部量子效率在-1V的低偏压下可达到135%。实验结果显示采用该窄带探测器可以有效提高探测过程的抗噪声能力。由于此窄带探测器结构简单、具有自驱动能力且为硅基,因此同现有微电子工艺兼容度极高,在光电子器件领域具有很大的应用潜力。与此同时该工作对肖特基结在窄带探测器中的使用具有普适的指导意义。

说明: 无标题

图1.基于硅肖特基结窄带光电探测器结构示意图;及采用TCAD模拟的肖特基结中的电场分布、光子吸收率、光产生率。

说明: 无标题

图2.在零偏压下测试的硅肖特基结窄带光电探测器的线性动态范围、稳定性、探测率和抗干扰性能。

上述工作得到国家自然科学基金、安徽省基金、中央高校业务经费、先进功能材料与器件安徽省重点实验开放基金等项目的资助。

论文链接:https://ieeexplore.ieee.org/document/9122406

(罗林保/文 罗林保/图 赵金华/审核)

责任编辑:朱峰

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