采用简并半导体的CMOS兼容硅近红外光电探测器

《IEEE Journal of the Electron Devices Society》：CMOS-Compatible Silicon Near-infrared Photodetectors Utilizing Degenerate Semiconductor

　　近红外（NIR）传感器在自动驾驶、生物医学成像和食品无损分析等多个领域正变得越来越重要。然而，硅的固有吸收极限由其约1.1 eV的带隙决定，限制了其在长波近红外区域的探测范围。在本研究中，我们证明通过在金属-氧化物-半导体（MOS）场效应晶体管型器件架构中采用重掺杂（低电阻率）简并硅，可以延长硅基光电探测器的截止波长。在简并硅（0.015 Ω·cm，4.3 × 101? cm?3）和标准电阻率硅（2 Ω·cm，7.0 × 101? cm?3）衬底上分别制作了沟道长度范围为5–50 μm的器件，以研究简并半导体效应对近红外光电探测特性的影响。标准电阻率（2 Ω·cm）器件的光响应可达约1100 nm，而简并硅器件则表现出可探测波长范围明显延长至约1200 nm。这种超出硅固有吸收极限的延伸主要归因于重掺杂引起的带隙窄化。阈值电压从2 Ω·cm器件中的–0.5 V变为简并器件中的2.2 V，暗电流从1.2 × 10?1? A增至2.5 × 10?1? A，反映了基片掺杂浓度升高对沟道形成的影响。在1200 nm处，简并硅器件展现出增强的光响应特性，峰值探测率为6.1 × 10? Jones，而标准电阻率器件仅为4.7 × 10? Jones。这些结果表明，简并半导体工程提供了一种与CMOS兼容的方法，可在硅固有吸收极限之外延长可探测波长范围并增强近红外光响应。