基于掺锗光纤的纤维内肖特基结器件制备方法：采用二氧化碳激光加热技术

《Optical Materials》：Fabrication of In-Fiber Schottky Junction Device Based on Ge Core Fiber via CO 2 Laser Heating

基于Ge芯光纤的CO?激光加热制备光纤肖特基结器件及其性能调控研究。通过复合预制体制备Ge芯光纤，采用不同激光功率（1.2-6 W）进行热处理，分析其对Ge芯晶体结构、界面特性及器件电学性能的影响。实验表明3.6 W激光功率可最小化Ge芯残余应力、缺陷密度，提升结晶度，并实现1.04的整流比。

　　

赵子文|马泽成|徐思涛|赵宇凡|钟双奇

特种光纤与光接入网络重点实验室，特种光纤与先进通信联合国际研究实验室，上海大学，中国上海200072（中华人民共和国）

摘要

使用二氧化碳（CO₂）激光加热由硼硅玻璃、铜（Cu）和锗（Ge）组成的复合材料预制棒，在具有硼硅玻璃包层的锗（Ge）芯光纤内制备了肖特基结器件。主要研究了激光功率（1.2 W、2.4 W、3.6 W、4.8 W和6 W）对器件制备过程中结构和电性能的影响。实验结果表明，激光功率在调节锗芯的晶体结构和界面特性方面起着关键作用。适当的激光功率可以减少锗芯内的结构缺陷和界面态密度，从而提高光纤内肖特基结器件的电性能。通过3.6 W激光加热制备的样品显示出最小的内部残余应力、最低的缺陷密度和最高的结晶度。此外，肖特基结的电流-电压（I-V）特性表现出显著的整流特性，整流比为1.04。

引言

锗（Ge）作为一种广泛用于制备半导体芯光纤的材料[1]，在中红外范围（2-14 μm）内具有较高的折射率和较低的光传输损耗[2]、[3]，这为其在光纤通信和中红外传感技术中的应用提供了巨大潜力[4]。此外，锗芯光纤的大表面积与体积比、结构柔韧性和全方向光检测能力使其成为构建新型多功能光电子器件的理想平台[5]、[6]、[7]。基于光纤结构的这种光电子设备在许多领域展示了广阔的应用前景，如光检测[8]、[9]、[10]、成像、光伏能量转换[11]、温度监测[12]，以及轻量化、可穿戴和柔性电子设备[13]、[14]、[15]、[16]。

在锗芯光纤内制备高质量结结构是进一步扩展其应用领域的重要因素。近年来，基于半导体结的光纤器件取得了实质性进展。He R. R.等人[17]使用高压化学气相沉积（HPCVD）技术在硅芯光纤内制备了PIN结，以n型硅作为芯材料，并在3.5 V的外部偏压下进行了电响应测量，同时使用633 nm激光进行照射。Homa D.等人在掺磷硅芯光纤的端面制备了PN结，并通过硼酸溶液掺杂对其非线性I-V响应进行了表征，以证明结的功能性。Wang Z. X.等人[19]通过熔融芯拉拔（MCD）技术制备了具有结结构的光纤，并利用自组装方法构建了背靠背肖特基结，展示了快速的电响应能力。这些基于光纤的器件凸显了结集成在光纤中的多功能性，可以进一步应用于传感、通信和潜在的可穿戴技术。

本研究提出了一种利用二氧化碳（CO₂激光加热在锗芯光纤内制备肖特基结器件的新方法。该过程包括制备由锗芯、铜丝和硼硅玻璃组成的预制棒；以及通过二氧化碳（CO₂激光加热预制棒来制备光纤内肖特基结器件。研究了不同激光功率对肖特基结器件性能的影响。这项研究为制备光纤内结型器件提供了参考。

实验与测量

图1展示了在锗芯光纤内制备肖特基结器件的示意图。锗芯光纤是通过熔融芯拉拔（MCD）方法制备的。将掺锑的n型锗棒（纯度99.999%，电阻率10-30 Ω）放置在内径为2.5 mm、外径为10 mm的石英玻璃管内形成预制棒。然后使用拉拔塔在约2000 °C的温度下进行拉拔，得到了长度约为20 mm、芯直径在110至190 μm之间的光纤。

实验结果与讨论

对于未经处理的锗芯以及用不同功率激光加热后的样品，在去除包层后对锗芯的侧面进行了拉曼光谱测量，随机选取多个测量点并使用中值来减少潜在的局部效应。拉曼光谱如图4(a)所示，相应的峰值位置和半高宽（FWHM）值如图4(b)所示。锗块状晶体的拉曼频率为301.2 cm^-1 [20]。未经处理的锗

结论

总结来说，利用二氧化碳（CO₂激光加热复合材料预制棒，在锗芯光纤内制备了光纤内肖特基结器件，并系统研究了激光功率对器件结构和电性能的影响。激光功率是影响器件性能的关键参数。适当的激光功率可以有效减少锗芯内的结构缺陷，并优化锗芯的表面形态，从而使器件更加光滑和连续。

作者贡献声明

钟双奇：软件、方法论。徐思涛：软件、方法论。赵宇凡：软件、方法论。赵子文：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、监督、资源获取、项目管理、方法论、研究、资金申请、概念构思。马泽成：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、软件、研究

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（61975114）的支持。