全 IV 族薄膜室温中红外光电探测器

应变工程一直是调控半导体电子能带结构并利用由此产生的新颖或增强的基本性质的普遍范式。在这方面，半导体薄膜作为一类通用的纳米级材料涌现出来，用于控制晶格应变并构建复杂异质结构，从而推动了多种创新应用的发展。在此，我们利用这种准二维平台在 IV 族 GeSn 半导体合金中同时调控晶格参数和带隙能量。随着 Sn 含量增加至达到直接带隙，这些半导体变得亚稳态且通常具有压缩应变。我们表明，GeSn 薄膜的释放与转移导致了显著的弛豫，从而将吸收波长范围扩展到更深的中红外区域。完全释放的 Ge$_{0.83}$Sn$_{0.17}$ 薄膜被集成在硅上，并用于制造在室温下工作的宽带光电探测器，其创纪录的波长截止值为 4.6 $\mu$m，且不损害在短至 2.3 $\mu$m 波长下的性能。这些薄膜器件与由外延生长应变层加工的器件相比，暗电流降低了两个数量级。后者表现出依赖于含量的、位于 2.6–3.5 $\mu$m 范围的较短波长截止，从而凸显了晶格应变弛豫在塑造薄膜光电探测器光谱响应中的作用。这种能够构建全 IV 族可转移中红外光电探测器的能力，为利用这些可集成、硅兼容的应变-弛豫 GeSn 薄膜实现可扩展且灵活的传感与成像技术奠定了基础。