短波红外（SWIR）成像技术进步对夜视系统、工业检测、科学研究以及安防等各领域作出了重大贡献。随着对超出可见光谱范围探测需求的日益增长，短波红外图像传感器的开发需求也在不断增加。然而，实现高分辨率、低噪声的宽光谱探测器仍面临诸多技术挑战。
传统InGaAs短波红外探测器虽然能够表现出优异的光电转换效率和载流子迁移率，但其关键性能指标与器件结构存在根本性的矛盾。为获得较高的量子效率（QE），常规设计需要3微米以上的吸收层（AL），这种结构设计导致了多方面的问题：（1）厚吸收层结构引起光刻工艺的聚焦深度匹配问题，增加制备难度；（2）厚吸收层结构使得载流子收集时间延长，限制了器件响应速度，不适于高分辨率成像；（3）InGaAs光电探测器的厚吸收层会引起严重的光学和电学串扰问题，主要由于其扩散长度长且无隔离从而导致光生载流子分离的收集时间增加，以及光生载流子的复合从而导致外部量子效率（EQE）降低。
据麦姆斯咨询报道，韩国科学技术院（KAIST）的研究团队提出一种亚微米厚的超薄型InGaAs宽带光电探测器设计方法，该方法用于可见光到短波红外（SWIR）波段的高分辨率成像。相关研究成果以“Highly-efficient (>70%) and Wide-spectral (400–1700 nm) sub-micron-thick InGaAs photodiodes for future high-resolution image sensors”为题，发表在Light: Science & Applications期刊上。
为了降低基于InGaAs短波红外光电探测器中的吸收层厚度（TAL），补偿长波长处吸收减少至关重要，尤其是当小面积吸收层厚度导致长波长范围内的吸收不足时。图1a说明了通过扩展光吸收路径来补偿小面积吸收层厚度的方法。这项研究通过在器件背面引入TiOx/Au基导模共振（GMR）结构来提升短波红外波段的量子效率（QE）。
图1 宽带光谱吸收结构的设计方案和原理
与传统平面金属反射结构相比，导模共振结构能够产生多重共振吸收效应，显著提升了长波长光的吸收效率。研究人员通过严格耦合波分析（RCWA）方法，优化了导模共振结构的周期、材料组成以及填充因子等关键参数设计，使该器件在短波红外波段仍保持高效吸收。
如图2a制图2c所示，导模共振集成InGaAs光电探测器的制造工艺从晶圆级图案化开始，使用无掩模光刻技术形成周期性结构。再通过隔离、SU-8钝化以及顶部金属沉积等工艺制备出最终器件。
图2 结合导模共振结构的InGaAs短波红外像素器件的制备
随后，研究人员对所制备的InGaAs光电探测器的光电性能进行了测试，图3a展示了不同衬底结构的器件截面示意图。利用InGaAs材料优势，研究人员还探索了取决于衬底结构的光谱响应，吸收层厚度的下降应该伴随着EQE的降低，图4a展示了具有不同吸收层厚度的光电探测器的不同EQE光谱。
图3 三种不同衬底结构的InGaAs光电探测器的性能研究
图4 InGaAs光电探测器的光谱吸收特性
综上所述，这项研究成功实现了厚度仅为0.98微米的InGaAs探测器，较传统结构减薄2.5倍以上，同时保持了400-1700 nm波段70%以上的量子效率。这一突破性成果为高分辨率、低噪声的宽光谱图像传感器开发提供了新的技术路径。超薄结构设计带来的快速载流子渡越时间，有望显著降低电学串扰，提升器件的响应特性。同时，减薄后的器件结构更适合单片三维（M3D）集成工艺，为实现高密度像素阵列奠定了基础。
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01652-6
