硅光子学已被广泛探索用于许多包括光通信、光电计算、光谱学和图像传感的各类应用。作为这些应用中的光电信号转换关键部件，硅基红外光电探测器引起了广泛的关注。
近日，中国科学院上海技术物理研究所（简称“上海技物所”）和国科大杭州高等研究院的科研团队提出一种采用面内光子捕获结构（IPTS）的全硅光电探测器设计，以提高探测效率并提高了光电探测器在超长波红外（VLWIR）波段的工作温度。这种新颖的全硅光电器件架构，为提高宽带超长波红外器件的工作温度和灵敏度提供了很有前途的解决方案，使整个系统更加紧凑且具有成本效益。这项研究以“All-Silicon Broadband Infrared Photodetectors With In-Plane Photon Trapping Structures”为题发表在Advanced Materials期刊上。
全硅超长波红外光电探测器采用CMOS兼容的设计和制造方案，旨在促进大规模集成的同时利用成熟的硅工艺实现成本降低。图1a为全硅光电探测器的示意图，该探测器具备由面内光子捕获结构集成的薄吸收器。
图1 超长波红外波段面内光子捕获结构光电探测器的设计和机制
为了评估面内光子捕获结构光电探测器的增强性能，研究人员采用了有限差分时域（FDTD）方法来模拟每个器件，图 2a展示了面内光子捕获结构光电探测器和平面光电探测器的模拟吸光度。
图2 面内光子捕获结构光电探测器架构的实验外部量子效率和模拟吸光度
在面内光子捕获结构光电探测器中，周期性空穴阵列抑制了与器件物理尺寸相关的暗电流分量。图3a为面内光子捕获结构光电探测器的噪声源与其有效物理面积成正比。预计面内光子捕获结构器件中与同结相关的暗电流分量将部分减少（如图3b）。相关结果显示，与平面器件中相比，面内光子捕获结构器件中的主要暗电流显著减少。
图3 面内光子捕获结构光电探测器在黑暗条件下的光电特性
最后，研究人员对面内光子捕获结构光电探测器与其他传统光电探测器的性能做了对比，相关结果如图4所示。结果显示，面内光子捕获结构光电探测器在12 μm至19 μm的宽带范围内探测能力显著增强，凸显了该器件及其架构在红外成像应用中的巨大潜力。
图4 面内光子捕获结构光电探测器与传统光电探测器的超长波红外波段性能比较
综上所述，这项研究提出了一种在超长波红外波段具有高灵敏度的全硅面内光子捕获结构光电探测器。面内光子捕获结构引导横向光子模式，同时减少传输能量损失，在统一功能区域内实现集成光场调制和光电交互。该架构具备高度通用性，可以应用于其他材料系统或扩展到光电器件中更长的波段（例如太赫兹波段）。由于与成熟的硅光子学工艺平台完全兼容，该研究实现了低暗电流和高效光电探测器架构的集成，为新一代高灵敏度和高工作温度的超长波红外光电探测器铺平了道路，可应用领域包括传感、大范围成像和红外天文学应用等。
