硅基Ⅳ族材料红外光子学探测器件的基础研究

未来硅基光子学一个新的发展趋势是波长不断向中红外波段扩展，其中亟待解决的一个重要问题就是如何突破硅材料的光子带隙限制，发展应用于通信波段及中红外的光子学材料及器件。本课题针对硅基红外光子学未来发展中对光信息探测的需求，以发展适用硅基红外光子学系统应用的新型光子探测器件为目标，利用创新外延生长模式及原子源抑制分凝技术制备高质量的GeSn异质外延材料，系统研究GeSn器件的工艺难点，研制新型的近红外及中红外高效Si基探测器及阵列。通过本课题的研究，解决新型硅基红外探测材料GeSn的高质量异质外延及器件工艺中的难题，揭示GeSn器件暗电流产生的机理，探寻控制暗电流的新方法，建立GeSn材料的红外光学表征模型，优化GeSn光电探测器件的结构设计和工艺流程，发展适于近红外通讯波段以及中红外探测的GeSn红外光电探测器件及阵列，为硅基红外光子学的发展奠定础。通过本课题的支助，在GeSn材料方面，我们发展了一种优化的控制大失配外延生长工艺中位错演变的材料生长方法，在生长过程中可以实现对材料表面平整度的控制、应变释放方式的控制、位错密度的控制和演变；同时引入新型的buffer 层，制备出了性能优良的相应 Sn 组分的高质量 GeSn 合金材料。例如Sn组分为2.5%的GeSn合金，其HRXRD衍射峰半高宽为0.063(指标为＜0.2°），表面粗糙度均方根(RMS)为1.47nm(指标要求 ＜2nm)全面完成了项目中材料的指标要求；利用所制备的材料制备的GeSn探测器与国际上其他研究组报道结果相比，主要技术指标均优于先前国际已报道的器件，暗电流比其降低了一个量级，而且具有最大的响应度。响应度比其高了大约两个量级。并且首次将GeSn探测器的响应波长拓展到了2um，暗电流密度进一步降低至~0.006A/cm2，在1640nm波长下响应度为0.56A/W，1950nm下相应度至0.13A/W，GeSn探测器的相关性能指标为目前国际最好报道结果。同时制备了4×4的GeSn探测器阵列，单元器件具有良好的一致性，性能差异控制在15%以内；课题发表SCI论文12篇，授权专利一项，申请一项，全面完成了项目的指标要求。