蒙特利尔团队研发硅基GeSn高速探测器支持更多短波红外应用

5/31/2022，光纤在线讯，Photonics报道，加拿大Montreal 5月27日消息，蒙特利尔理工学院一个研究团队开发出一种CMOS兼容的高带宽GeSn 光电探测器技术，可以支持扩展的短波红外（e-SWIR  0.7-2.5微米）工作，为超快光谱，下一代光通信，人工智能等领域的应用开辟了可能。

e-SWIR频段的室温下高速光电探测器在高精度激光雷达，时间分辨光谱分析（是依据待测组分的被检测信号衰减特性差异进行选择测定的一种方法），温室气体环境监测，光学断层扫描成像等领域有着广泛需求。而根据蒙特利尔理工该团队的研究者M.R.M Atalla的看法，这种技术还在夜视，成像以及自由空间通信有着应用。他们的新技术不仅技术先进，而且可以制造。

Atalla表示，他们期待随着器件直径的进一步缩小，这种GeSn探测器的带宽可以超过几十个GHz。这会带来大量的硅基集成的低成本相关高速器件的发展。

为了开发这种高频，硅基探测器，研究团队在硅外延上基于锗虚拟衬底在低压CVD反应炉中生长了所有的GeSn PIN异质结。阶梯状的生长过程帮助研究者控制探测器各层的应力和组分，确保可以在整个e-SWIR波长工作。采用原子探测断层扫描，研究团队检测了GeSn材料的品质和结构特性。原子层级的研究显示了器件堆叠的高度晶体特性，确保了在非均衡组分下没有tin clustering发生。

该团队制造除了垂直的，上下结构PIN探测器，直径从20微米到160微米。接着他们还用离子刻蚀实现了双mesa结构来减少接触pad的电容。

他们研发的光电探测器实现了0.3A/W的响应度（1.55微米下），频谱响应范围覆盖整个e-SWIR波长，5V偏压下可以实现7.5GHz带宽。基于傅里叶变换红外光谱FTIR技术，他们还研究了该GeSn探测器的相对光谱响应度。采用一个扩展的InGaAs商用探测器，他们还在2.6微米截至下校准了数据。

为展示该器件的硅兼容应用潜力，研究团队将该GeSn探测器用到时间分辨光谱TRS应用中，用于探测2.35微米LED的发光。他们还验证了该器件在瞬时生物物理和化学过程检测的用途。通过将GeSn探测器集成到FTIR阶梯测量中，配合皮秒超短脉冲激光光源，实现了对脉冲长度，强度和频谱特性的分析，实现了2.5微米下的测量。

Atalla指出，基于III-V族材料的e-SWIR探测器的低带宽特性限制了在时间分辨光谱等领域的应用。他们的GeSn探测器让皮秒级的光谱分析成为可能。

这一研究成果发表在ACS Photonics (www.doi.org/10.1021/acsphotonics.2c00260).