用于3微米波段硅光子学的中红外p-i-n GeSn波导光电探测器

《ACS Photonics》：Midinfrared p-i-n GeSn Waveguide Photodetectors for 3-μm Band Silicon Photonics

硅基光电探测器在3微米波段的应用研究中，提出了一种GeSn/SiGeSn垂直p-i-n波导光电探测器（WGPD），通过13% Sn含量合金化实现0.388 eV直接带隙，截止波长扩展至3.2微米，检测度达3.07×10^7 cm Hz1/2 W?1，较商用PbSe探测器提升2-3个数量级，同时具备CMOS兼容的应变缓解工艺和厚活性层光学约束结构。

　　
近年来，3微米波长波段在红外光子学领域备受关注。该波段位于大气传输窗口（2.7-3.3微米），具有低传输损耗（<1 dB/km）和环境适应性强的特点，在分子指纹识别、痕量气体检测、非侵入式医疗诊断等领域具有重要应用价值。然而，传统III-V族半导体探测器（如HgCdTe、InAs等）存在与硅基光子集成工艺兼容性差、材料毒性高等问题，制约了其在硅光子学芯片中的集成应用。

本研究创新性地采用GeSn/SiGeSn异质结结构，成功研制出高性能垂直p-i-n型波导光电探测器（WGPD）。通过调控13% Sn含量，成功实现带隙收窄至0.388 eV，将器件检测波长上限延伸至3.2微米，较商用扩展InGaAs探测器拓宽了约30%的波长范围。器件在室温（25℃）下表现出3.07×10^7 cm Hz^1/2 W^-1的优异检测度，较现有GeSn波导探测器提升2-3个数量级，且在3微米波段仍保持1.1×10^7 cm Hz^1/2 W^-1的稳定性能。

器件结构设计方面，采用三层复合结构：底层720纳米Ge虚拟衬底（VS）缓解晶格失配应力；中间1320纳米高纯度GeSn活性层实现高效光吸收；顶部540纳米SiGeSn势垒层抑制暗电流扩散。通过应变工程（压缩应变-0.263%）和梯度缓冲层生长技术，成功将位错密度控制在10^6 cm^-2以下，材料缺陷密度较常规GeSn器件降低两个数量级。电场分布模拟显示，活性层的光学 confinement因子（Γ）达到89.7%，显著增强光子-物质相互作用概率。

性能测试表明，该器件在2.7-3.2微米波段具有连续稳定的响应特性。通过优化几何尺寸（波导宽度50微米、长度0.8毫米），在2微米处实现0.24 A/W的峰值响应度。与商用PbSe探测器相比，检测度提升约一个数量级，且具有更宽的波长适用范围。创新性地采用Si3N4超薄绝缘层（150纳米）替代传统SiO2结构，在保持低漏电流（9.97 A/cm^2@-1V）的同时，实现红外波段（>3微米）近乎无损的传输特性。

检测度提升主要得益于三重优化策略：首先通过Sn合金化将直接带隙扩展至3.2微米，其次采用1320纳米超厚活性层结构，使有效吸收长度增加40%；最后通过双极掺杂（n型1e19 cm^-3/p型3e19 cm^-3）形成高效复合中心。测试数据显示，器件在2.7微米处检测度达3.07×10^7 cm Hz^1/2 W^-1，较之前报道的GeSn波导探测器（最高1.38×10^7 cm Hz^1/2 W^-1）提升约20倍。

值得注意的是，该器件在-1V反向偏置下仍保持97.7%的高on/off电流比，表现出优异的PN结特性。通过引入宽禁带SiGeSn势垒层（带隙4.18），成功将热激发暗电流降低至9.97 A/cm^2，较常规GeSn结构（25-50 A/cm^2）改善80%以上。能带结构模拟显示，13% Sn含量使GeSn活性层的价带顶发生显著偏移，形成从重空穴到导带直接跃迁的带隙结构，这是实现高效近红外探测的关键物理机制。

器件在集成应用方面展现出独特优势：其厚度（1320纳米）可灵活调整以适应不同工艺要求，同时通过表面微结构优化（粗糙度<0.04纳米）有效抑制表面散射损失。实测数据显示，在2.5毫瓦光功率输入下，3微米波长的量子效率达到8.5%，较传统硅基探测器提升5倍以上。这种突破性进展为构建硅基集成光子系统提供了关键光探测器组件。

从产业化角度看，该器件的检测度已接近商用PbSe探测器的水平（3.5×10^8 cm Hz^1/2 W^-1），且具有更优异的波长适应性。测试表明，在2.7-3.2微米波段，检测度波动范围仅为±5%，稳定性显著优于现有解决方案。此外，器件支持CMOS兼容的湿法刻蚀工艺，晶圆级加工成本较III-V族器件降低60%以上，为大规模生产奠定了基础。

未来改进方向包括：通过Sn含量梯度分布优化实现更宽的波长覆盖（>3.5微米），采用应变梯度补偿技术进一步提升暗电流抑制效果，以及开发适用于3微米波段的抗反射涂层（反射损耗<5%）。值得关注的是，该器件在气体检测应用中表现出显著优势，其波长响应范围可同时覆盖CO2（4.26微米）和CH4（3.3微米）的特征吸收峰，为开发多气体联用传感器提供了新思路。

该研究不仅解决了传统硅基探测器在近红外波段的性能瓶颈，更通过材料创新实现了3微米波段的硅光子集成突破。器件的高检测度（3.07×10^7）与宽光谱响应（2.7-3.2微米）的组合优势，使其在工业气体监测、医疗无创检测、量子通信等新兴领域具有广阔应用前景。随着GeSn材料生长工艺的持续优化（当前位错密度已降至10^6 cm^-2），未来有望在4-5微米波段实现更高性能的探测器设计，推动红外光子学进入实用化新阶段。