面向短波红外的混合维度异质结硅APD探测集成研究进展

为满足消费电子、医学成像、军事与安全监控等短波红外探测与成像场景的应用需求，通过新材料、新机理、新结构和集成工艺等关键技术，开发兼具宽谱响应、低暗电流与低成本的短波红外探测器，推动高性能短波红外探测系统的发展。

重庆光电技术研究所与华中科技大学的科研团队从材料、集成化技术、器件设计及发展趋势等角度全面阐述了混合维度异质结硅APD短波红外探测阵列。相关研究内容以“面向短波红外的混合维度异质结硅APD探测集成研究进展”为题发表在《半导体光电》期刊上。

新型半导体材料在探测器领域中的应用

石墨烯、过渡金属硫化物（如MoS₂、WS₂）和黑磷等二维材料具有良好的机械强度、较低的界面态密度、较少的表面悬挂键和较强的层内化学键，适用于微电子和光电子等集成电路领域。以MoS₂材料为例，其层内和层间原子结构分别依靠较强的化学共价键和较弱的范德华力紧密堆叠，这种独特的结构使其能够兼容CMOS工艺，并可抑制短沟道量子效应对器件造成的不良影响。图1给出了不同层数MoS₂材料的能带结构，当材料的层数不同时，带隙宽度也随之发生变化，其中K点附近的能带随着层数减小发生较小的变化，而Γ点处的能带受层间耦合作用将出现较大的变化。

图1 不同层数MoS₂材料的能带结构

二维材料的主要特性可归纳为：（1）无表面悬空键特性，便于构建范德华异质结，从而提升载流子迁移率；（2）宽光谱响应范围，覆盖可见至红外波段；（3）厚度依赖的带隙可调性，实现能带工程调控；（4）低暗电流特性，增强器件信噪比；（5）兼具高透明度、强机械性能与柔韧兼容性。基于上述优势，二维材料在小型化、柔性化红外探测器领域具有应用潜力。然而，二维材料的局限性同样不容忽视：材料具有较大的激子束缚能和较小的吸收截面，从而导致光生载流子分离效率低，而缺陷处库伦相互作用引发的电子-空穴对快速复合，进一步制约了其在高效光电探测中的应用。量子点材料的能级结构示意图如图2所示。

图2 量子点材料的能级结构示意图

混合维度异质结材料与探测器的集成化技术

纳米材料是由基本颗粒组成的粉状或团块状的天然或人工材料，按照不同的维度分为零维、一维、二维和三维纳米材料。

混合维度异质结通过融合不同维度材料的能带特性、工艺兼容性优势，可显著提升器件的量子效率和响应速度，同时拓宽光谱响应范围、增强光吸收效率，并优化光生电子-空穴对的分离与传输动力学，从而延长载流子寿命，如图3所示。此类材料体系不仅能突破硅基材料在短波红外探测中的固有能带限制，还可为下一代高分辨红外成像芯片和光电集成系统提供关键技术支持。当前，硅基APD阵列探测器与量子点、二维材料等新型单片集成技术是未来实现光电芯片集成化的重要研究方向。

图3 混合维度异质结材料与硅APD探测器的集成结构示意图

混合维度异质结硅基APD探测阵列集成化研究在安全监控、三维成像和量子计算等领域具有巨大应用前景。目前，研究团队已初步验证了混合维度异质结材料的APD器件可行性。然而，该技术仍面临较多挑战：异质结界面的能带失配与缺陷态抑制需通过精确的能带工程设计解决；材料生长工艺的均匀性和重复性亟待提升；载流子跨纬度运输的微观机制尚不明确；混合维度异质结材料与硅APD器件集成技术和跨层级可靠性评价模型等，如图4所示。

图4 混合维度异质结硅基APD探测阵列的科学问题

混合维度异质结集成化技术的国内外研究现状

针对混合维度异质结硅APD器件存在的材料制备与界面控制、电荷输运与稳定性、多尺度模拟与集成等技术难题，国内外众多研究机构通过材料工程优化与器件结构创新，持续提升异质结光电探测器的性能，并探索其与光电子系统的多功能集成路径，推动该领域取得显著进展。混合维度异质结材料凭借其独特的能带结构、原子级平整界面及厚度可控性，为高性能光电器件设计提供了全新的解决方案。研究人员采用不同的化学合成方法，成功制备出多种维度与形貌的异质结材料，并开展测试表征研究验证其器件潜力，图5给出了典型的异质结光电探测器的器件结构。

图5 典型的异质结光电探测器的器件结构

研究展望

通过对量子点材料/二维材料等新型半导体材料的优缺点、混合维度异质结材料及其光电探测器应用的探究分析，可以发现：传统APD器件、基于量子点及二维材料的光电探测器均存在一定程度上的不足。结合短波红外探测技术发展趋势及相关应用场景，对混合维度异质结硅APD短波红外探测技术进行如下展望。

混合维度异质结材料的可控制备工艺和耦合机理难题：探索低成本大面积高质量混合维度异质结材料的可控制备工艺及配体交换技术，开展异质结材料的测试分析研究，依据表征结果评价材料的晶体质量，反馈并优化混合维度异质结材料的制备工艺。另外，通过分析不同维度材料间的耦合作用对体系能带结构的影响，掌握混合维度异质结材料的能带结构和多效应耦合等机理问题，利用理论计算及实验分析来验证相关理论，为短波红外探测技术的发展提供新型混合维度异质结材料的解决方案。

硅基APD短波红外探测器研制面临的重要挑战：为评估混合维度异质结材料的晶体质量，开展基于混合维度异质结材料的硅基APD短波红外探测器的设计优化研究。利用TCAD软件进行器件的结构仿真设计，分析器件的结构尺寸参数、掺杂浓度和金属电极功函数等因素对量子效率、暗电流和响应时间等核心性能参数的影响。结合混合维度异质结材料的参数和结构仿真设计结果，优化调整器件的制备工艺方案，突破关键的工艺技术，这是高性能APD器件研制面临的首要挑战。利用神经网络算法对器件的结构仿真设计和制备工艺进行协同优化，这是一项关键且具挑战性的任务。通过不断调整优化关键参数，确定网络模型，分析训练结果，在提高器件的设计和制备效率的同时，提升器件的光电性能参数。

基于混合维度异质结材料的硅基短波红外探测阵列混合集成和可靠性难题：当前阵列集成器件的关键性能指标还需进一步提升，有必要探索混合维度异质结探测器与CMOS读出电路的集成和封装工艺技术，开展环境模拟试验。此外，还需分析不同退化现象的敏感参数和失效机理，构建可靠性评价模型，优化封装与材料工艺，完成成像组件设计，验证阵列器件的成像效果和性能。

总结

基于混合维度异质结材料的硅APD器件可以实现低成本低暗电流宽波段响应的短波红外探测功能。为满足未来高性能三维成像和多功能光电系统的工程化应用需求，突破混合维度异质结硅APD器件的技术难题，研究人员通过能带工程与器件结构创新，持续提升异质结光电探测器的性能，并探索其与光电子系统的多功能集成路径，开发出多种兼具宽谱响应与高灵敏度的新型光电探测器。混合维度异质结材料为高性能光电器件设计提供了全新的解决方案，通过融合不同维度材料的能带特性、工艺兼容性优势，释放硅在短波红外探测领域的潜力，实现短波红外探测功能，从而促进混合维度异质结材料在半导体光电器件领域的工程化和商业化应用。这篇文章以混合维度异质结APD探测阵列为研究对象，系统探讨混合维度异质结材料的可控制备、异质结界面机理、器件结构设计、集成工艺等研究，指导其他混合维度异质结APD的研究，从而推动这类器件在红外探测领域的应用。