垂直排列Ge/Si核壳纳米线高性能短波红外光电探测器的设计与调控

本文报道了采用电子束光刻（EBL）与化学气相沉积（CVD）结合制备垂直排列i-Ge/p-Si核壳纳米线（CSNWs）的创新研究。通过调控Ge核尺寸实现空穴气（hole gas）浓度精确控制，开发出最大响应度达16.57 A/W的短波红外（SWIR）探测器，零偏压下对1200 nm近红外光仍保持2.78 A/W的高性能，为CMOS兼容的下一代光电器件提供了新范式。

　　

Highlight

选择i-Ge/p-Si核壳纳米线（CSNWs）而非传统p-Si/i-Ge结构的关键优势在于：前者能将空穴气（hole gas）限制在核区。尽管Ge/Si间显著晶格失配和Si表面污染物可能导致高缺陷密度（降低载流子迁移率），但i-Ge/p-Si结构中空穴气在i-Ge核区积累的特性有效缓解了这一影响。

Results and discussion

通过电子束光刻（EBL）结合化学气相沉积（CVD），我们成功制备了Ge核直径50-150 nm的i-Ge/p-Si核壳纳米线阵列。拉曼分析表明，通过调节Ge核尺寸可实现对空穴气积累的精准控制。采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）辅助的简易工艺，我们构建了垂直纳米线阵列光电探测器，在空穴气浓度优化条件下获得16.57 A/W的创纪录响应度——这相当于商用InGaAs探测器的性能水平！更有趣的是，即便在零偏压状态下，器件对1200 nm近红外光仍展现2.78 A/W的优异响应，这种"自驱动"特性使其在低功耗传感领域极具潜力。

Conclusions

本研究通过拓扑法制备的i-Ge/p-Si核壳纳米线阵列，证实了空穴气积累对器件性能的调控作用。16.57 A/W的响应度纪录和可调光电流特性，标志着硅基短波红外（SWIR）探测技术的重大突破，为人工智能（AI）和物联网（IoT）所需的低成本、高集成度光电系统开辟了新路径。