中紅外光子學在生物傳感、自由空間通信和氣體檢測等領域存在重要應用前景。隨著中紅外應用場景不斷拓展，高集成度、高可靠性、低成本和小尺寸是中紅外光子學發(fā)展的重要趨勢。硅基中紅外光電集成技術利用先進成熟的CMOS工藝，將微電子和光電子集成在硅芯片上，可以滿足中紅外光子學發(fā)展的需求。鍺錫是Ⅳ族硅基半導體材料，通過調節(jié)合金的組分配比，其光學帶隙可以延伸至中波紅外，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，高質量高錫組分鍺錫外延難度非常高。團隊成員鄭軍副研究員長期聚焦鍺錫光電子材料與器件研究工作。深入研究高錫組分鍺錫材料生長機理和器件物理，解決了高錫組分鍺錫的應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譜和頻率響應譜，該成果發(fā)表在2022年3月Applied Physics Letters期刊上[Mingming Li, Jun Zheng et al，Applied Physics Letters 120, 121103 (2022)]，被選為“Editor’s Pick”文章。通過采用錫組分緩變技術調控高錫組分鍺錫材料中的應變，研究團隊進一步將鍺錫探測器的探測截止波長拓展至4.2微米，峰值響應度0.35A/W@1V。圖2為鍺錫探測器在77K的光響應譜，相關成果發(fā)表在最新出版的Photonics Research期刊上。[Xiangquan Liu, Jun Zheng et al,Photonics Research 10, 1567 (2022)] 鍺錫中紅外探測器的工作標志著我們在鍺錫材料分子束外延方面已經(jīng)取得重要進展，對將來實現(xiàn)硅基紅外光電集成芯片有著具有重要的科學意義。 

 

該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金原創(chuàng)探索項目和中科院前沿科學重點研究項目等項目的支持。

 

圖1：鍺錫探測器的(a)光響應譜;(b)頻率響應譜

 

 

圖2：高錫組分鍺錫探測器在77K下的光響應譜