中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國家重點實驗室成步文研究團(tuán)隊研制出工作在中紅外波段的硅基鍺錫探測器。這是該團(tuán)隊在鍺錫材料外延生長取得進(jìn)展后，在鍺錫光電器件方面取得的又一重要成果。

中紅外光子學(xué)在生物傳感、自由空間通信和氣體檢測等領(lǐng)域頗具應(yīng)用前景。隨著中紅外應(yīng)用場景不斷拓展，高集成度、高可靠性、低成本和小尺寸是中紅外光子學(xué)發(fā)展的趨勢。硅基中紅外光電集成技術(shù)利用先進(jìn)成熟的CMOS工藝，將微電子和光電子集成在硅芯片上，可滿足中紅外光子學(xué)發(fā)展的需求。鍺錫是Ⅳ族硅基半導(dǎo)體材料，通過調(diào)節(jié)合金的組分配比，其光學(xué)帶隙可延伸至中波紅外，是制備硅基中紅外光電子器件的理想材料。

然而，硅基襯底上外延鍺錫薄膜存在晶格失配和錫易分凝等難題，高質(zhì)量高錫組分鍺錫外延難度頗高。該團(tuán)隊成員副研究員鄭軍聚焦鍺錫光電子材料與器件研究工作，探究高錫組分鍺錫材料生長機(jī)理和器件物理，解決了高錫組分鍺錫的應(yīng)變馳豫和錫分凝難題，制備出3dB帶寬3GHz，探測截止波長3.3微米的高速硅基鍺錫探測器。圖1為硅襯底上中紅外鍺錫高速探測器的光響應(yīng)譜和頻率響應(yīng)譜，相關(guān)成果發(fā)表在Applied Physics Letters【Mingming Li, Jun Zheng et al, Applied Physics Letters 120, 121103 (2022)】上，并被選為Editor’s Pick文章。研究采用錫組分緩變技術(shù)調(diào)控高錫組分鍺錫材料中的應(yīng)變，進(jìn)一步將鍺錫探測器的探測截止波長拓展至4.2微米，峰值響應(yīng)度0.35A/W@1V。圖2為鍺錫探測器在77K的光響應(yīng)譜，相關(guān)成果發(fā)表在Photonics Research【Xiangquan Liu, Jun Zheng et al, Photonics Research 10, 1567 (2022)】上。 鍺錫中紅外探測器的工作標(biāo)志著科學(xué)家在鍺錫材料分子束外延方面取得了重要進(jìn)展，這對未來實現(xiàn)硅基紅外光電集成芯片具有重要的科學(xué)意義。

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和中科院前沿科學(xué)重點研究計劃等的支持。

圖1.鍺錫探測器的（a）光響應(yīng)譜；（b）頻率響應(yīng)譜

圖2.高錫組分鍺錫探測器在77K下的光響應(yīng)譜