我院陈佰乐课题组在基于III-V族量子结构的红外探测器领域取得重要突破

近日，我院后摩尔器件与集成系统中心陈佰乐教授课题组和其他高校合作者在O波段硅基量子点雪崩光电二极管，C波段磷化铟基量子短线探测器以及中红外高速探测器等领域取得重要突破。相应成果分别以"Low dark current high gain InAs quantum dot avalanche photodiodes monolithically grown on Si"，"Low-dark current 1.55 micrometer InAs quantum dash waveguide photodiodes"和"High Speed Mid-Wave Infrared Uni-traveling Carrier Photodetector,"在期刊ACS Photonics（中科院1区）， ACS Nano（中科院1区）和IEEE Journal of Quantum Electronics(中科院3区）上发表。

目前硅基直接外延生长集成III-V族材料器件是解决硅基无高性能主动器件（激光器、探测器）的一个重要方法。陈佰乐课题组和美国加州大学圣巴巴拉分校John Bowers教授，香港科技大学Kei May Lau教授等在硅基上通过直接外延生长InAs量子点结构的方式首次实现了雪崩光电二极管在O波段（1260-1360nm）工作，器件结构如图1所示。3µm×50µm大小的器件在99%击穿电压下的室温暗电流低至1.3nA，比目前常见的Si/Ge APD器件的暗电流少了至少2数量级。器件在1310nm波长单位增益下的光响应为0.234A/W，-15.9V下的光响应约为4.8A/W。器件也进行了系统级别的眼图和误码率的测试，在-15.9V下的误码率比单位增益下的误码率降低了2个数量级，如图2所示。

文章发表不久，也得到国际科技产业杂志Semiconductor Today的亮点报道。我院陈佰乐教授是该论文的通讯作者和共同第一作者。该项研究得到了上海科技大学启动经费，国家自然科学基金面上项目，科技部国家重点研发计划微电子和光电子专项以及上海市青年扬帆计划等项目的支持。

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.9b01709

图1.硅基量子点O波段APD的结构图

图2. 硅基量子点APD不同偏压下误码率测试结果

同时，为进一步将探测器探测范围延伸至C波段，陈佰乐教授再与加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校万雅婷博士等研究人员合作，以量子短线材料为基础，成功制备能在通信C波段应用的新型、高性能、低成本光电探测器，器件结构如图3所示。

图3.InP基量子短线C波段探测器的结构图

由于量子短线中载流子运动受到近似三维的限制，量子短线探测器具有独特的对制作缺陷免疫的性能。该研究所制备的量子短线探测器器件的暗电流密度只有3.3×10-7 A/cm2， 比传统锗探测器小了近五个数量级。器件在通信C波段的电流响应度达到0.26 A/W, 在10Gbit/s 数据速率下可测得清晰眼图，如图4所示。该项研究工作首次成功制备了量子短线探测器，并对器件的静态性能、高速性能、缺陷信息等进行了细致表征，丰富了红外光电探测器的制备方法，并对将来基于新型量子短线的高性能光通信器件的制备和发展及其在C-波段光通信网络的应用进行了展望。由于该量子短线探测器与量子短线激光器等其他光器件共享同一个外延片结构，研究者相信，该平台有望结合激光器、探测器等光子器件组成光子链路，并集成在同一材料平台，实现高速、大容量的片上光通信。这一成果近期发表在ACS Nano上，信息学院黄健是该论文共同第一作者，陈佰乐教授是该论文的共同通讯作者。

图4.InP基量子短线C波段探测器的暗电流和眼图

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b09715

此外，新兴应用比如自由光通讯，中红外光频梳光谱学的快速发展对中红外探测器的带宽特性提出了新的要求。陈佰乐课题组率先开展中红外高速探测器方向的研究，利用InAs/GaSb二类超晶格材料首次实现单载流子传输的中红外高速探测器如图5所示。在该研究中，团队成功制备了20µm直径的器件在室温下截止波长为5.6µm，具有6.58GHz的3dB带宽。该项研究有望应用于高性能中红外光频梳系统和自由光通信系统。该研究的相关成果已在IEEE Journal of Quantum Electronics上发表，信息学院博士研究生黄健是该论文的第一作者，本项目也得到了上海科技大学启动经费，国家自然科学基金面上项目，科技部国家重点研发计划微电子和光电子专项以及中科院战略先导科技专项（A类）等项目的支持。

图5 单载流子中红外高速探测器示意图和能带结构

文章链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/9119423