中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國家重點實驗室成步文研究團隊研制出工作在中紅外波段的硅基鍺錫探測器。這是該團隊在鍺錫材料外延生長取得進展后，在鍺錫光電器件方面取得的又一重要成果。

中紅外光子學(xué)在生物傳感、自由空間通信和氣體檢測等領(lǐng)域頗具應(yīng)用前景。隨著中紅外應(yīng)用場景不斷拓展，高集成度、高可靠性、低成本和小尺寸是中紅外光子學(xué)發(fā)展的趨勢。硅基中紅外光電集成技術(shù)利用先進成熟的CMOS工藝，將微電子和光電子集成在硅芯片上，可滿足中紅外光子學(xué)發(fā)展的需求。鍺錫是Ⅳ族硅基半導(dǎo)體材料，通過調(diào)節(jié)合金的組分配比，其光學(xué)帶隙可延伸至中波紅外，是制備硅基中紅外光電子器件的理想材料。

然而，硅基襯底上外延鍺錫薄膜存在晶格失配和錫易分凝等難題，高質(zhì)量高錫組分鍺錫外延難度頗高。該團隊成員副研究員鄭軍聚焦鍺錫光電子材料與器件研究工作，探究高錫組分鍺錫材料生長機理和器件物理，解決了高錫組分鍺錫的應(yīng)變馳豫和錫分凝難題，制備出3dB帶寬3GHz，探測截止波長3.3微米的高速硅基鍺錫探測器。圖1為硅襯底上中紅外鍺錫高速探測器的光響應(yīng)譜和頻率響應(yīng)譜，相關(guān)成果發(fā)表在Applied Physics Letters【Mingming Li, Jun Zheng et al, Applied Physics Letters 120, 121103 (2022)】上，并被選為Editor’s Pick文章。研究采用錫組分緩變技術(shù)調(diào)控高錫組分鍺錫材料中的應(yīng)變，進一步將鍺錫探測器的探測截止波長拓展至4.2微米，峰值響應(yīng)度0.35A/W@1V。圖2為鍺錫探測器在77K的光響應(yīng)譜，相關(guān)成果發(fā)表在Photonics Research【Xiangquan Liu, Jun Zheng et al, Photonics Research 10, 1567 (2022)】上。 鍺錫中紅外探測器的工作標志著科學(xué)家在鍺錫材料分子束外延方面取得了重要進展，這對未來實現(xiàn)硅基紅外光電集成芯片具有重要的科學(xué)意義。

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和中科院前沿科學(xué)重點研究計劃等的支持。

圖1.鍺錫探測器的（a）光響應(yīng)譜；（b）頻率響應(yīng)譜

圖2.高錫組分鍺錫探測器在77K下的光響應(yīng)譜