硅光子學已被廣泛探索用于許多包括光通信、光電計算、光譜學和圖像傳感的各類應用。作為這些應用中的光電信號轉(zhuǎn)換關鍵部件，硅基紅外光電探測器引起了廣泛的關注。

近日，中國科學院上海技術(shù)物理研究所（簡稱“上海技物所”）和國科大杭州高等研究院的科研團隊提出一種采用面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)（IPTS）的全硅光電探測器設計，以提高探測效率并提高了光電探測器在超長波紅外（VLWIR）波段的工作溫度。這種新穎的全硅光電器件架構(gòu)，為提高寬帶超長波紅外器件的工作溫度和靈敏度提供了很有前途的解決方案，使整個系統(tǒng)更加緊湊且具有成本效益。這項研究以“All-Silicon Broadband Infrared Photodetectors With In-Plane Photon Trapping Structures”為題發(fā)表在Advanced Materials期刊上。

全硅超長波紅外光電探測器采用CMOS兼容的設計和制造方案，旨在促進大規(guī)模集成的同時利用成熟的硅工藝實現(xiàn)成本降低。圖1a為全硅光電探測器的示意圖，該探測器具備由面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)集成的薄吸收器。

圖1 超長波紅外波段面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測器的設計和機制

為了評估面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測器的增強性能，研究人員采用了有限差分時域（FDTD）方法來模擬每個器件，圖 2a展示了面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測器和平面光電探測器的模擬吸光度。

圖2 面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測器架構(gòu)的實驗外部量子效率和模擬吸光度

在面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測器中，周期性空穴陣列抑制了與器件物理尺寸相關的暗電流分量。圖3a為面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測器的噪聲源與其有效物理面積成正比。預計面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)器件中與同結(jié)相關的暗電流分量將部分減少（如圖3b）。相關結(jié)果顯示，與平面器件中相比，面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)器件中的主要暗電流顯著減少。

圖3 面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測器在黑暗條件下的光電特性

最后，研究人員對面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測器與其他傳統(tǒng)光電探測器的性能做了對比，相關結(jié)果如圖4所示。結(jié)果顯示，面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測器在12 μm至19 μm的寬帶范圍內(nèi)探測能力顯著增強，凸顯了該器件及其架構(gòu)在紅外成像應用中的巨大潛力。

圖4 面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測器與傳統(tǒng)光電探測器的超長波紅外波段性能比較

綜上所述，這項研究提出了一種在超長波紅外波段具有高靈敏度的全硅面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)光電探測器。面內(nèi)光子捕獲結(jié)構(gòu)引導橫向光子模式，同時減少傳輸能量損失，在統(tǒng)一功能區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)集成光場調(diào)制和光電交互。該架構(gòu)具備高度通用性，可以應用于其他材料系統(tǒng)或擴展到光電器件中更長的波段（例如太赫茲波段）。由于與成熟的硅光子學工藝平臺完全兼容，該研究實現(xiàn)了低暗電流和高效光電探測器架構(gòu)的集成，為新一代高靈敏度和高工作溫度的超長波紅外光電探測器鋪平了道路，可應用領域包括傳感、大范圍成像和紅外天文學應用等。