突破硅近红外光吸收的限制：金针菇云状顶电极在宽带光探测器中的应用

注：文末有本文作者科研思路分析

宽带光探测器是一种能将较大范围不同波长的光信号转变为电信号的电子器件，在通信系统、医疗、热成像、环境监测和国防科技领域都具有广泛的应用。随着科技的发展，高速、高灵敏的光电探测器在技术需求上迅速提高，硅作为重要的半导体材料在半导体行业占据重要的地位，但由于硅对900 nm以上的近红外光吸收不够强，极大限制了硅在宽带光探测器中的应用。在近期发表于Advanced Materials 的一篇文章中，王中林院士（点击查看介绍）和博士研究生邹海洋等人通过结构设计突破了硅近红外光区吸收弱的限制，成功合成了高性能的宽带光探测器。

他们在硅和氧化锌纳米线两种半导体组成的光探测器上设计了特殊的金针菇云状薄膜顶电极结构（图1a），通过减少光的反射极大地提高了硅对近红外光的吸收（图1b）。该电极同时能够实现纳米线和顶电极高温退火的要求，从而提高纳米线的晶体质量和顶电极的透光率及其导电性。

图1.（a）器件结构示意图及其金针菇云状薄膜顶电极示意图；（b）器件（红色曲线）和p型硅（蓝色曲线）的光吸收谱图。

该器件具有出色的光探测性能，灵敏度高、暗电流低、稳定性和重复性好、响应速度极快（< 1 ms），完全适用于高速模式下的光探测及成像等方面。在低电压（-2 V）下，442 nm的光在光照强度为26.45 mW/cm²时，近紫外光区域的光灵敏度达到5200%，0.62 mW/cm²光照强度下光灵敏度达到650%；1060 nm的光在光照强度为18.9 mW/cm²时近红外光区域的光灵敏度达到4000%，0.3 mW/cm²光照强度下光灵敏度达到450%。该探测器可以直接集成在硅电子器件中，对集成电路的兼容性强、应用价值高。

图2. 器件对不同波长的光（a）442 nm和（b）1060 nm在较低光照强度下的响应曲线；斩波器频率为20 Hz。

与此同时，他们利用压电光电子学效应进一步提高了光探测的性能，通过施加外界应力产生压电势调节能带和载流子输运，可见光区域（442 nm）的光响应度提高77.5%，近红外区域（1060 nm）的光响应线性关系大大改善，突破了原有材料的测量极限（图3）。他们利用该器件首次研究和发现了压电的极化作用对界面处光激发电子和空穴的不同影响。这项研究能够推进硅基宽带光探测器产业和研究等方面的发展，对完善相关理论和发展更优异的光电器件具有重要意义。

图3. 器件在不同波长的光（a）442 nm和（b）1060 nm光照下光电流随外加应力的变化；红色曲线代表相对较强的光照强度，蓝色曲线代表相对较弱的光照强度。

该论文作者为：Haiyang Zou, Xiaogan Li, Wenbo Peng, Wenzhuo Wu, Ruomeng Yu, Changsheng Wu, Wenbo Ding, Fei Hu, Ruiyuan Liu, Yunlong Zi, Zhong Lin Wang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Piezo-Phototronic Effect on Selective Electron or Hole Transport through Depletion Region of Vis–NIR Broadband Photodiode

Adv. Mater., 2017, 29, 1701412, DOI: 10.1002/adma.201701412

导师介绍

王中林

http://www.x-mol.com/university/faculty/26757

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：这项研究的最初目的是通过压电光电子学效应，在压电材料ZnO上产生压电势提高硅基光探测器在可见光区域的性能。我们发现传统顶电极的方法对纳米线器件不完全适用，会造成顶电极和底部材料的短路，因而暗电流较大、整流特性差。于是我们提出了新的顶电极制作方法，在测量吸收光谱时意外发现该顶电极设计能极大提高近红外区域的吸收。因此，我们测量了近红外光（1060 nm）的光响应，发现该器件具有非常好的近红外光探测性能，而传统的硅光探测器对900 nm的近红外光吸收较差，这是一个意外发现。ZnO材料是宽带材料，对紫外光和近紫外光敏感，而这项研究通过设计纳米线和顶电极却意外发现改良的器件能够突破硅探测器材料的极限。

在深入分析压电光电子学效应对不同波长光的响应时，我们又发现在相同的应力下，压电势对近紫外光和近红外光表现出不同趋势的调制效果，从而引导我们深层次地探讨压电势对电子和空穴不同带电体的作用，让我们对压电光电子学作用的理解更进一步。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：在项目起始阶段，器件采用传统的电极制作方法进行制备时效果一直不够理想。发现、解决问题的过程中需要不断尝试新的工艺参数以达到最佳效果。新的电极制作方法需要平整的接触面和稳定的电极接触，并要求光刻胶包裹纳米线，表面光滑，随后使纳米线只在线头端暴露，对工艺要求较高，制备参数的摸索也是一个复杂而艰难的过程。

Q：该研究成果可能有哪些重要应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该器件在光探测方面具有广谱的光谱响应区间，打破了传统硅材料在近红外区域吸收弱的限制，且性能优越，对硅基宽带探测器的发展具有重要意义。宽带光探测器在军事和国民经济方面都具有广泛的应用，包括通信系统、人机交互、智能电子器件、医疗、热成像、环境监测和国防科技等。该研究成果对于进一步提高光探测器的性能以及其他光学器件的性能提供了新思路，我们相信该器件可以在工业生产和人类生活中发挥重要的作用。