寬帶光電探測器要求材料體系在可見光到中紅外波段均具吸收能力，且能與讀出電路低溫兼容。傳統三維（3D）/三維（3D）外延需高溫、晶格匹配，難以與CMOS或柔性襯底兼容；二維（2D）/三維范德華（vdW）轉移雖避開晶格匹配，卻受限于大面積潔凈轉移。異質集成是實現寬帶光電探測的核心途徑，但現有二維/三維范德華集成工藝仍需解決低溫、高質量界面及量產難題。碲（Te）因其≈0.33 eV窄帶隙、高空穴遷移率、可在<120 °C低溫成膜而被重新關注，但現有分子束外延（MBE）、脈沖激光沉積（PLD）等方法存在成本高、工藝復雜、效率低等問題，室溫蒸發又導致晶粒細小、粗糙度大，限制了器件性能。因此，開發可在晶圓級、低溫條件下直接沉積高質量Te并與鍺（Ge）集成的工藝成為迫切需求。
據麥姆斯咨詢報道，近日，華中科技大學和中國科學院上海技術物理研究所的研究團隊提出一種低溫（約?100 °C）熱蒸發沉積策略，直接在4英寸Ge晶圓上制備窄帶隙≈0.33 eV的Te薄膜，獲得粗糙度0.71 nm、微米級晶疇的均勻薄膜。所制備的Te/Ge異質結器件在零偏壓下覆蓋可見光至中紅外波段（405 – 4090 nm），線性動態范圍達102.5 dB、響應度達0.73 A W?1、比探測率可達8.47 × 101? cm·√Hz·W?1、上升/下降時間為22/14 μs。該器件卓越性能來源于Type-II能帶排列以及3 nm天然GeO?隧穿層對暗電流的有效抑制。此外，研究人員還展示了8 × 8光電探測器陣列的優異的均勻成像能力。這項研究為下一代寬帶成像提供了可低溫集成的新平臺。這項研究以“Cryogenic-Temperature Deposited High Quality Te/Ge Heterojunction for Broadband and Fast Photodetection”為題發表在Laser & Photonics Reviews期刊上。
研究人員設計一套帶液氮冷卻的真空熱蒸發系統（如圖1a），在?100 °C襯底溫度下將高純Te顆粒以≈1 ? s?1速率沉積到旋轉的4英寸Ge(100)晶圓（如圖1c）。初始沉積的Te呈非晶態（如圖1b），待自然升溫至臨界結晶溫度后，低激活能促使鏈狀Te重排，晶疇迅速合并，形成取向以(101)為主、面內尺寸>10 μm的連續薄膜。研究人員對低溫沉積Te薄膜進行了表征表征，相關結果如圖1所示。為了進一步研究低溫生長薄膜的性能，研究人員在室溫（R.T.，≈20 °C）和低溫（L.T.，-100 °C）條件下對沉積在Ge襯底上的40 nm Te薄膜的性能進行了測試，相關結果如圖2所示。
圖1 低溫沉積Te薄膜的晶圓級制備與表征
圖2 Te薄膜室溫（R.T.）與低溫（L.T.）沉積的表征
從光電探測器的角度來看，過大的表面粗糙度會誘發嚴重的載流子散射，而豐富的晶界充當復合中心，降低載流子收集效率。為了減輕這些影響，研究人員選擇在≈?100 °C沉積的Te/Ge異質結實現器件制備，該器件可表現出低表面粗糙度和大晶疇面積。研究人員詳細測試了Te/Ge異質結光電探測器的性能，相關結果如圖3所示。結果顯示，該Te/Ge異質結光電探測器在405 – 4090 nm波段展示出顯著的光生伏特效應；在1550 nm光照下，I_sc=159.9 μA、V_oc=0.16 V、線性動態范圍102.5 dB、響應速度22/14 μs，比同類Te基器件快一個量級。為了闡明Te/Ge異質結光電探測器的能帶排列和工作機理，研究人員采用開爾文探針力顯微鏡（KPFM）表征了其表面電位分布，相關結果如圖4所示。
圖3 單Te/Ge異質結寬帶光電探測器的光電特性
圖4 Te/Ge異質結能帶圖
最后，研究人員展示了基于Te/Ge異質結制備8 × 8光電探測器陣列的光電性能和成像應用，相關結果如圖5所示。為了評估該光電探測器陣列的均勻成像能力，研究人員在633 nm、1550 nm、2000 nm以及2.4 – 4 μm黑體輻射下測試了該陣列，結果顯示均可實現清晰成像，證明了其在可見光至中紅外波段的成像潛力。
圖5 Te/Ge光電探測器在可見光-紅外波段的成像應用
https://doi.org/10.1002/lpor.202500845
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