硅基熱載流子探測器（金屬–硅肖特基結）通過內部光電發射（IPE）實現亞帶隙短波紅外（SWIR）響應，具備完全CMOS兼容、工藝簡單、可大面積集成等核心優勢，是下一代硅基短波紅外成像的理想方案。然而，硅熱載流子探測器存在光吸收率低和光電轉換效率不足的物理瓶頸。
據麥姆斯咨詢報道，近日，韓國科學技術研究院（KIST）的研究團隊提出準廣義抗反射涂層（QARC）通用增強策略：在超薄金屬肖特基電極上構建“介質層/金屬層”復合減反射結構，在不損傷載流子注入效率、不改變肖特基結本質的前提下，將金屬光吸收提升數倍。基于Cu電極的QARC增強器件在1310 nm實現7.8 mA/W響應率與0.82%外量子效率（EQE），較無QARC器件提升近一倍，且保持微秒級響應與低暗電流。該研究首次實現CMOS兼容硅熱載流子探測器短波紅外成像，為低成本、大面陣短波紅外成像提供可量產方案。相關研究成果以“A Universal Approach to Enhancing Silicon Hot-Carrier Photodetectors for CMOS-Compatible SWIR Imaging”為題發表在Advanced Science期刊上。
QARC設計原理
經典介質抗反射涂層（ARC，如圖1b）僅適用于無損耗介質界面，無法直接用于金屬–半導體系統。金屬存在復折射率與吸收損耗，反射系數相位復雜，經典ARC無法實現理想相消干涉。QARC（如圖1a）將傳統ARC擴展至吸收型金屬系統，結構為：空氣/介質覆蓋層/超薄金屬/硅襯底。其核心物理機制為：（1）利用超薄金屬的厚度調控界面有效反射系數R???的幅值與相位；（2）介質覆蓋層提供額外相位偏移，實現空氣–介質界面反射與介質–金屬–硅界面反射的相消干涉；（3）金屬厚度遠小于熱載流子平均自由程，確保吸收產生的熱載流子可高效到達界面并越過肖特基勢壘。
研究人員利用QARC來增強光吸收，相關設計原理及吸收增強證明如圖2所示。結果證明，金屬吸收顯著提升，吸收增強源于寬帶共振，對厚度偏差容忍度高，適合規模化制造；Cu、Ag、Au三種電極均實現吸收增強，其中Ag最強、Cu次之，說明了QARC的通用性和實用性。
圖2 QARC的設計原理及吸收增強
QARC增強硅熱載流子探測器制備與表征
為了實驗驗證QARC結構帶來的響應度提升，研究人員制備了QARC增強硅熱載流子光電探測器。所制備的硅熱載流子光電探測器中的QARC結構針對1310 nm波長進行了優化。QARC增強硅熱載流子光電探測器采用n-Si/超薄Cu/非晶Si（a-Si）QARC結構（如圖3a）：10 nm Cu作為肖特基電極與短波紅外吸收層（厚度低于Cu熱載流子平均自由程）；非晶Si（a-Si）作為高折射率介質覆蓋層，滿足QARC最優條件；背面Al為歐姆接觸，有效面積100 μm×100 μm。圖3d展示了該器件的光電探測機制，在短波紅外光照射下，入射光子被超薄Cu層吸收，通過帶內激發產生熱電子。該器件所有材料完全兼容標準CMOS制造工藝，可直接集成于讀出電路。
圖3 CMOS兼容的QARC增強硅熱載流子光電探測器
為了進一步檢驗QARC方法的普適性，研究人員制備并比較了采用不同肖特基金屬的器件。圖4a至圖4c展示了采用不同金屬電極（包括Cu、Ge/Ag和Au）的硅熱載流子光電探測器在零偏壓和1310 nm波長下的響應度統計分布，其中部分器件采用了QARC結構。結果顯示，不同金屬間一致的增強效果證實了QARC帶來的性能提升是穩健的，并且在很大程度上與金屬的選擇無關。圖4f展示了QARC增強硅熱載流子光電探測器的EQE與其他研究中的各種硅熱載流子器件進行了對比，表明QARC器件在相近肖特基勢壘下實現最高EQE，突破了效率與勢壘高度的固有權衡，證明了增強源于吸收提升而非勢壘降低。
CMOS兼容短波紅外成像
為了進一步評估所提出的CMOS兼容短波紅外硅熱載流子光電探測器的成像性能，研究人員在低照度條件下進行了1300 nm反射模式成像，實驗設置如圖5a所示。成像質量對比顯示，QARC器件圖像亮度更高、細節更銳利、信噪比更優；弱信號區域與精細圖案辨識度顯著提升；強度累積分布函數（CDF）整體向高值偏移；差值圖像顯示信號增強集中于目標結構，而非背景噪聲。該成像應用為國際首次CMOS兼容硅熱載流子短波紅外成像，也是首次反射式成像演示，證明QARC可直接提升實際成像質量。
https://doi.org/10.1002/advs.75474
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