单片集成的短波红外光电二极管阵列

短波红外（SWIR）成像技术在多个领域具有重要应用，但目前使用的半导体材料如锗（Ge）、铟镓砷（InGaAs）和汞镉碲（HgCdTe）等存在成本高和集成难度大的问题。碲硒合金（TeₓSe₁₋ₓ）作为一种新型红外材料，因其简单的元素组成、可调的带隙、低毒性和低熔点，显示出与硅基读出集成电路（ROIC）单片集成的潜力。TeₓSe₁₋ₓ具有独特的一维晶体结构，能够减少悬挂键缺陷，从而提高光电探测器的性能。然而，对于非（hk0）取向的TeₓSe₁₋ₓ薄膜，表面悬挂键缺陷需要有效的钝化策略。目前，TeₓSe₁₋ₓ薄膜光电探测器存在暗电流大的问题，限制了其在大规模阵列中的应用。为了提高性能，需要通过引入适当的界面层来消除元素扩散和钝化ZnO/TeₓSe₁₋ₓ界面处的悬挂键缺陷。

据麦姆斯咨询报道，近日，华中科技大学唐江教授和陈超副教授的研究团队在ZnO/TeₓSe₁₋ₓ界面引入了0.3 nm非晶态TeO₂层，以阻止元素扩散并钝化界面悬挂键缺陷。通过元素分布分析证实了TeO₂作为阻挡层在阻止元素扩散方面的有效性。通过降低界面缺陷密度和抑制暗电流密度，验证了TeO₂作为钝化层的功能。相关研究成果以“TexSe1–x Shortwave Infrared Photodiode Arrays with Monolithic Integration”为题，发表在Nano Letters期刊。

图1 ZnO/TeₓSe₁₋ₓ光电二极管的界面问题

经TeO₂修饰的器件展示了显著的性能提升。该器件可达到300至1700 nm的宽光谱响应，响应度增加到0.31 A W⁻¹，以及在1300 nm处探测率提高到2.03 × 10¹¹ Jones。

图2 TeO₂修饰层对 ZnO/Te0.6Se0.4光电二极管探测性能的影响

高探测率和低暗电流密度是实际成像应用的基础。随后，研究人员在64 × 64 a-Si薄膜晶体管（TFT）ROIC上，单片集成了TeₓSe₁₋ₓ光电二极管阵列并对其光电性能做了相关测试，如图3所示。最后，为了评估该芯片的成像性能，研究人员展示了其在短波红外成像中的应用，如图4所示。这是基于TeₓSe₁₋ₓ光电探测器的最大规模阵列。

图3 采用单片集成工艺设计和制造的Te0.6Se0.4成像芯片

图4 基于Te0.6Se0.4成像仪的红外成像应用

综上所述，这项研究在ZnO/TeₓSe₁₋ₓ异质结构中，通过引入0.3 nm厚的非晶态TeO₂界面层，成功地抑制了界面处的元素扩散和悬挂键问题，显著提升了器件性能。在透射成像和物质识别方面，Te0.6Se0.4成像仪或许能够用于区分更多种类的物质，例如不同浓度的化学物质或生物组织。总体而言，这项工作为未来在更高分辨率CMOS ROIC上实现TeₓSe₁₋ₓ红外成像器奠定了基础。