尽管高性能近红外（NIR）探测对于众多应用至关重要，但当下最先进的近红外探测器要么在探测入射光子能力方面存在局限（即光谱响应度较差），要么由昂贵且与CMOS不兼容的III-V族材料制成。锗（Ge）有望同时具备高性能、低成本和可扩展性。更重要的是，锗材料与CMOS工艺完全兼容，原则上能够使用现有的CMOS芯片生产线进行加工。实际上，基于锗的光电二极管已经在众多领域实现商业应用。
据麦姆斯咨询报道，近日，由芬兰阿尔托大学（Aalto University）、芬兰ElFys公司和德国联邦物理技术研究所（Physikalisch-Technische Bundesanstalt）组成的研究团队开发了一种基于CMOS兼容的锗制备的纳米工程PIN光电二极管。该器件在室温零偏置电压下宽光谱范围（1200 - 1600 nm）内，实现了超过90%的外部量子效率（EQE）。例如，在1550 nm波长处的响应度可达1.15 A/W。除了在近红外波段具有出色的光谱响应率外，该器件在可见光和紫外线波段仍保持了优异性能（在300 nm以下的EQE甚至超过100%），从而实现了超宽光谱响应范围。研究人员利用表面纳米结构最大限度降低光学损耗，同时使用保形原子层沉积（ALD）氧化铝（Al₂O₃）进行表面钝化，以及采用基于电介质诱导电场的载流子收集取代传统PN结来最大限度减少电损耗，最终实现了该器件的高性能。这项研究成果以“Near-infrared germanium PIN-photodiodes with >1A/W responsivity”为题发表在Light: Science & Applications期刊上。
图1展示了该纳米结构锗光电二极管的横截面示意图，该设计方案结合了纳米结构的锗表面、原子层沉积Al₂O₃表面钝化以及用于载流子分离和空穴收集的带负电荷的Al₂O₃诱导电场。与传统的通过外部掺杂来形成PN结的方法不同，这项研究是在锗纳米结构的顶部施加了带有固定电荷的介电层，从而避免与掺杂相关的复合。如果固定电荷与衬底掺杂极性相反，则表面层的载流子将开始耗尽，仅留下电离的体掺杂原子。这一过程导致电荷极性在介电/半导体界面处发生改变，进而在锗表面产生强电场。
图1 纳米结构锗光电二极管的横截面示意图
如图2所示，研究人员将锗光电二极管的光子能量转化为电流的能力与波长变化的函数关系图，即光谱响应度。实验结果显示，该光电二极管在紫外波段（UV，200 nm）到近红外波段（1700 nm）的超宽光谱范围内能够探测超过80%的入射光子（EQE＞80%），甚至在紫外波段，该光电二极管的EQE超过了100%。
在该研究中，研究人员选择了三种针对不同波长（1300 nm、1550 nm和1750 nm）性能最佳的铟镓砷（InGaAs）光电二极管、一种其它研究中性能最佳的锗光电二极管与本研究的纳米结构锗光电二极管进行性能比较（如图2）。研究结果显示：（1）关于光谱响应度，纳米结构锗光电二极管的光谱响应度显著高于其它InGaAs光电二极管和锗光电二极管。（2）关于暗电流，纳米结构锗光电二极管的暗电流显著低于其它锗光电二极管；但由于锗材料的固有载流子浓度更高，纳米结构锗光电二极管在室温下的暗电流与InGaAs光电二极管不具备可比性。（3）关于比探测率（specific detectivity D*），纳米结构锗光电二极管在峰值响应波长（1650 nm）的比探测率达到1.77 × 10¹¹ Jones，显著优于其它锗光电二极管；但由于暗电流的显著差异，纳米结构锗光电二极管的比探测率无法超越InGaAs器件。
图2 纳米结构锗光电二极管的光谱响应度和与相关研究结果的比较
为了详细研究纳米结构锗光电二极管表现出高性能的根本原因，研究人员对纳米结构光电二极管的光谱反射率和空间反射率分布进行了表征。图3a展示了纳米结构表面从紫外到近红外波段的反射率都非常低（<1%）。图3b为空间反射率图，结果证实在整个二极管有源区，纳米结构表面都保持了很低的反射率。通过测量光谱响应度和反射率，可直接确定用以描述内部复合损耗的内部量子效率（IQE）。
图3 纳米结构锗光电二极管的反射率和IQE
为了进一步阐明IQE行为，研究人员模拟了纳米结构中的电场分布（如图4a），以及纳米结构内部的载流子浓度（如图4c）。
图4 纳米结构的模拟电场分布和内部载流子浓度
综上所述，这项研究开发了一种用于近红外探测的新型锗PIN光电二极管，无需形成PN结和抗反射涂层。通过制备原型器件，研究人员证明了新型锗PIN光电二极管的潜力，该器件在超宽光谱范围（200 nm至1700 nm）实现了创纪录的高光谱响应度、高EQE（在83%-125%之间）和低暗电流（在5 V时达到76 μA/cm²）。研究发现，该器件的高性能主要源于以下几方面：（1）表面纳米结构有效降低了反射损耗；（2）集中在表面附近的电介质诱导电场显著提高了内部收集效率；（3）通过保形原子层沉积Al₂O₃涂层获得高质量的表面钝化。这项研究提出的新型锗光电二极管设计方案可直接用于最先进锗光电二极管的制备，从而为更高性能的近红外应用提供新的解决方案。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01670-4
