硅基全GeSn PIN高速扩展短波红外光电探测器

对硅兼容的高带宽扩展短波红外(e-SWIR)光电探测器(PD)的需求日益增长，以实现低成本、可扩展的光电器件。这些系统对于解决探测与测距、监视、超快光谱学和成像中的若干技术瓶颈至关重要。事实上，当前的高带宽e-SWIR光电探测器主要由III-V族化合物半导体制成，因此成本高昂，且在硅上集成受限，同时在超过$2.3 \,\mu$m波长的响应度较低。为规避这些挑战，Ge$_{1-x}$Sn$_{x}$半导体被提出作为硅集成高速e-SWIR器件的构建模块。本文展示了一种垂直全GeSn PIN光电探测器，其由p-Ge$_{0.92}$Sn$_{0.08}$/i-Ge$_{0.91}$Sn$_{0.09}$/n-Ge$_{0.89}$Sn$_{0.11}$和p-Ge$_{0.91}$Sn$_{0.09}$/i-Ge$_{0.88}$Sn$_{0.12}$/n-Ge$_{0.87}$Sn$_{0.13}$异质结构组成，通过阶梯渐变温度控制外延工艺在硅上生长。研究了这些光电探测器在$10-30 \,\mu$m直径范围内的性能。所开发的光电探测器在$5$V偏压下，对于$10 \,\mu$m直径的器件，实现了12.4 GHz的高带宽。此外，这些器件表现出0.24 A/W的高响应度、低噪声以及$2.8 \,\mu$m的截止波长，从而覆盖了整个e-SWIR范围。