Heterogeneously Integrated GaAsSb/Si Separate Absorption, Charge, and Multiplication (SACM) Photodiodes with Bonded Active Interface
本文展示了一种高性能、异质集成的 GaAsSb/Si SACM 光电探测器，该探测器克服了界面传输挑战，实现了强载流子注入和高达 86 的最大增益，为硅基上可扩展、高灵敏度的短波红外检测建立了一个极具前景的平台。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，你正试图为机器人制造一只超快、超灵敏的眼睛，但你却被迫只能使用一种材料：硅。硅是计算机世界的超级明星；它廉价、易于制造，并且极其擅长处理信息。但它有一个巨大的盲点。硅只能“看见”可见光和少量的红外光，就像我们的眼睛看不见紫外线一样。一旦光变得太“红”（具体来说，超过1100纳米），硅就会直接忽略它。这是一个问题，因为互联网、自动驾驶汽车和夜视摄像头中最重要的信号都运行在短波红外（SWIR）范围内，大约在1550纳米左右。为了捕捉这些信号，科学家通常不得不粘上另一种更奇特的材料（比如III-V族半导体），这种材料能够吸收这类光。但将两种不同的材料粘在一起，就像试图把一块橡胶粘在玻璃上一样；它们往往并不契合，会产生一个凹凸不平、漏电的界面，导致信号丢失或变得混乱。科学界的重大疑问是：我们能否制造出一种探测器，既能利用奇特材料的捕光能力，又能利用硅的处理能力，同时又不让那种混乱的“胶水活儿”破坏性能？
这篇论文讲述了俄亥俄州立大学的一个团队如何尝试解决这个问题的故事，他们构建了一个“混合”光电二极管。把光电二极管想象成一个微型太阳能电池板，它能将光转化为电。研究人员创建了一个像是一个“两人接力赛”的装置。第一位跑者是一层被称为GaAsSb的材料，它非常擅长捕捉1550纳米的红外光。第二位跑者是一层硅，它在接收到信号后非常擅长放大信号。最棘手的部分在于如何让“接力棒”（电荷）从第一位跑者传递给第二位跑者，而不至于在交接时掉落。
该团队使用了一种被称为“转移打印”的巧妙技巧。他们没有尝试将GaAsSb直接生长在硅上面（因为两者的晶体结构不匹配，这很难实现），而是将GaAsSb生长在另一种材料上，将其切割成微小的“岛屿”，然后将这些岛屿物理性地“盖印”或打印到硅芯片上。这就像是从背衬纸上撕下一张贴纸，然后完美地将其贴到一个新表面上。
他们的发现是，尽管在两种材料之间存在一层微小的、肉眼看不见的氧化层（就像一层微观的灰尘层），这个混合团队的表现却出奇地好。当我们用1525纳米的激光照射该装置时，GaAsSb捕捉到了光并将电荷传递给了硅。随后，硅就像一个扩音器，显著地放大了信号。在-20 V的电压下，该装置实现了86倍的“增益”，这意味着输出信号比初始输入强了86倍。更令人印象深刻的是，该装置的“有效外部量子效率”（一个专业术语，指每捕捉到一个光子能产生多少个电子）飙升到了3500%以上。为了让你有个直观的概念，一个没有这种放大功能的标准探测器可能只能捕捉到大约14%的光；而这个得益于硅放大器的混合装置，让它看起来捕捉到的光量甚至超过了实际照射在它上面的光量的35倍。
研究人员还仔细观察了两种材料之间的“交接”区域。他们发现，虽然存在一些缺陷和一层薄薄的氧化层，但这些缺陷实际上有助于电荷在施加电场时跨越间隙移动。这就像是在交接区的凹凸不平处设置了“踏脚石”，电场会将电荷推过这些地方。虽然该装置在高电压下会产生一点更多的“噪声”（静电干扰），但它仍然能比仅由GaAsSb材料制成的标准探测器更好地检测到非常微弱的信号。
简而言之，论文表明，通过使用转移打印技术将GaAsSb捕光器“粘”在硅放大器上，我们可以制造出一种对红外光高度敏感的探测器。该装置成功地架起了两种不同材料之间的桥梁，证明了即使中间隔着一点“灰尘”（氧化层），电荷仍然可以高效地跳过间隙。这为在与我们电脑和手机相同的硅芯片上直接构建高性能红外相机和传感器打开了大门，有望使这些技术变得更便宜、更强大。作者指出，虽然其暗电流（漏电流）比其他一些实验性装置略高，但其信号强度和灵敏度的巨大提升使得这是一条非常有前景的技术路径。
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