CMOS兼容的Te/Si超快近红外光电探测器设计实现

高质量的光电探测器始终是获取外部信息的主要途径。其中，近红外光电传感器由于其探测波段的特殊性，在遥感通信等领域发挥着重要作用。为了在这些领域实现更丰富、更高质量的成像，构建具备高灵敏度、高均匀性、优异稳定性和易于集成的近红外光电探测器已然成为研究的前沿热点。硅集成工艺技术，从原材料制备至电子设备集成加工，已发展相当完备成熟。为了实现近红外光电探测器的小型化和集成化，硅光电探测器或其他与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术兼容的光电探测器将成为首选。

目前，近红外成像阵列的发展依旧面临着很大的阻力。首先，半导体硅的本征带隙相对较宽，这在一定程度上限制了硅的光谱检测范围，使其无法在近红外波段发挥作用。尽管重掺杂可以改变硅的带隙，从而实现对一些近红外波段的光响应，但硅光电探测器还面临着暗电流较大的问题。

为了解决上述问题，包括过渡金属硫族化合物、钙钛矿、MXene等在内的几种窄间隙低维材料体系已成为近红外光敏材料的选择热门。然而，这些基于材料完成的低维NIR光电探测器大多具有很长的响应时间，并且与CMOS技术不兼容。所以，在集成系统中利用这些材料卓越的光电能力仍然具有挑战性。因此，开发一种与COMS工艺兼容的具有优异近红外光电性能的材料是一项重大且具有挑战性的任务。考虑到碲材料的高稳定性、空穴传输能力、优越的光电特性和简单的制备技术，碲材料为制造近红外光电探测器阵列提供了巨大的前景。

图1.（a）Te/Si异质结光电探测器的结构示意图；（b-c）电子转移和能带结构；（d）基于Te/Si异质结的成像阵列；（e）Te/Si异质结和Si/Ni肖特基结光电探测器性能对比；（f）Te/Si异质结超快近红外光响应。

最近，中国科学院半导体研究所王丽丽研究员课题组，通过磁控溅射技术在n型Si衬底上制备了晶圆级碲纳米颗粒薄膜，并采用微纳光刻技术构建了基于Te/Si异质结的具有高像素密度和出色性能的近红外成像阵列。

研究结果表明，与金属电极制成的Si/Ni肖特基结相比，Te/Si异质结在保持较高响应的同时，依靠p-n结的整流效应降低了器件的暗电流（pA量级），并且依靠Te更窄的带隙，将光电探测器的响应光谱扩展至1550 nm的通信波段。此外，得益于Te/Si二类异质结构的设计，Te/Si异质结光电探测器实现了光生载流子的有效分离并延长了载流子的寿命。

借此，Te/Si近红外光电探测器的开启时间减少到920 ns，开启速度相对提高近50倍。之后，利用大面积高质量、高均匀性的Te薄膜，该团队构建并演示了一种基于Te/Si异质结的成像阵列（20×20像素）来检测传感器阵列上显示的图像信息。

由于Te/Si阵列获得的高对比度，与Si/Ni阵列相比，当将电子图像应用于ANN模拟人工视觉系统时，它显着提高了后续处理任务的效率和准确性。该研究工作不仅展示了Te/Si异质结在红外成像系统中具有巨大的应用潜力，为其在集成光电器件和人工智能中的应用提供了参考。

该论文第一作者为中国科学院半导体研究所博士研究生李林林，通讯作者为王丽丽研究员。这项共工作也得到了国家自然科学基金和中国科学院项目的资助。

审核编辑：刘清