来源:Frontiers of Optoelectronics 发布时间:2024/1/11 15:12:24
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FOE | 天津大学胡小龙小组、浙江大学-UIUC国际联合学院胡欢小组:在硅中注入氦离子提升亚带隙光电探测器的性能

论文标题:Enhancement of silicon sub-bandgap photodetection by helium-ion implantation(在硅中注入氦离子提升亚带隙光电探测器的性能)

期刊:Frontiers of Optoelectronics

作者:Zhao Wang, Xiaolei Wen, Kai Zou, Yun Meng, Jinwei Zeng, Jian Wang, Huan Hu & Xiaolong Hu

发表时间:15 Dec 2023

DOI: 10.1007/s12200-023-00096-x

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第一作者:王昭

通讯作者:胡欢、胡小龙

通讯单位:浙江大学-UIUC国际联合学院、天津大学

研究背景

基于亚带隙光学吸收效应的光电探测器可以突破传统半导体光电探测器的长波限。硅的带隙为1.12 eV,对应的长波限为1.1 μm;而利用亚带隙光学吸收效应,硅光电探测器可以探测波长在1.55 μm和1.31 μm附近通信波段的光。由于亚带隙光学吸收效应较弱,基于亚带隙光学吸收效应的光探测是非侵入式的(non-invasive),可用于光子集成回路中对光功率变化进行非侵入式监测,也可用于空间光路中光束定位与偏转角测量。然而,正因为是非侵入式的,此类探测器的光响应相对较弱,如何提高该类光电探测器光响应并同时保持非侵入的特点是一个有待研究和解决的科学问题。

文章简介

近期,天津大学胡小龙研究小组、浙江大学-UIUC国际联合学院胡欢研究小组与中国科技大学、华中科技大学的研究人员合作,利用氦离子显微镜将适当剂量的氦离子注入到面入射型硅亚带隙光电探测器中,在基本不影响探测器透明度的前提下,提高了光响应和灵敏度,相关工作以Enhancement of silicon sub-bandgap photodetection by helium-ion implantation 为题于近期发表在Frontiers of Optoelectronics 期刊上。

图文导读

? 创新点:氦离子注入增强亚带隙光电探测器的光响应

研究团队在面入射型硅亚带隙光电探测器中注入一定剂量的氦离子(如图1所示)提高了器件的光响应(如图2所示),进而提高了器件的灵敏度(如图3所示),注入氦离子剂量为1×1013 ions/cm2的器件的灵敏度达到-63.1 dBm,与未注入氦离子的器件相比提高了29.9 dB。与此同时,注入氦离子增强了器件在宽谱范围内的光响应(如图4所示),而器件在宽谱内的透明性不受影响(如图5所示)。

图1 氦离子注入。(a)面入射型硅亚带隙光电探测器的光学显微镜照片,其中光敏区面积为5 μm×5 μm。黑色虚线框为氦离子的注入区域,面积为6.5 μm×6.5 μm,略大于器件的光敏区面积。(b)利用氦离子显微镜将氦离子局部注入到面入射型硅亚带隙光电探测器的示意图。(c)仿真得到的注入单位剂量氦离子后顶硅和埋层二氧化硅中氦离子密度分布,其中加速电压为30 kV。(d)仿真得到的不同加速电压下顶硅中氦离子密度与注入氦离子剂量的关系,其中加速电压为10 kV、30 kV和50 kV。(e)仿真得到的注入单位剂量氦离子后顶硅和埋层二氧化硅中缺陷密度分布,其中加速电压为30 kV。(f)仿真得到的不同加速电压下顶硅中缺陷密度与注入氦离子剂量的关系,其中加速电压为10 kV、30 kV和50 kV。(g)实验装置示意图。

图2 光电探测器的测量导纳变化量ΔY与光功率P的关系,波长为1550 nm。研究了未注入氦离子以及注入不同剂量氦离子的情况,注入剂量分别为1×1013、5×1013、1×1014和1×1015 ions/cm2

图3 光电探测器的测量灵敏度Psen与锁相带宽Δf的关系,波长为1550 nm。研究了未注入氦离子以及注入不同剂量氦离子的情况,注入剂量分别为1×1013、5×1013、1×1014和1×1015 ions/cm2

图4 光电探测器的测量导纳变化量ΔY与波长λ的关系,光功率为-10 dBm。研究了未注入氦离子以及注入不同剂量氦离子的情况,注入剂量分别为1×1013、5×1013、1×1014和1×1015 ions/cm2

图5 光电探测器的测量透过率T与波长λ的关系。研究了未注入氦离子以及注入不同剂量氦离子的情况,注入剂量分别为1×1013、5×1013、1×1014和1×1015 ions/cm2

总结和展望

通过注入低剂量的氦离子增强了面入射型硅亚带隙光电探测器的光响应。当注入剂量为1×1013 ions/cm2时,在1550 nm波长处的器件灵敏度从−33.2 dBm提高到−63.1 dBm,提高了29.9 dB;在相同光功率(−10 dBm)下的光响应提高了约18.8 dB。通过测量透射谱,发现注入低剂量的氦离子对器件透明性基本没有影响。器件光响应的增强归因于氦离子注入增加了带隙内的缺陷态,适当增加了器件对光的吸收,但光吸收仍然保持较低水平。该工作为此类非侵入式光电探测器提供了一种增强光响应的方法。

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