中红外片上光谱与波导集成热辐射探测器技术

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引言

中红外光谱技术在气体和生化物质检测方面具有独特优势。中红外波长范围（2-20um）包含多种分子的振动和转动吸收峰，使这种技术在分子检测领域展现出高灵敏度和高特异性的特点[1]。

图1：(a) 基于锗绝缘体(Ge-OI)光电子平台的片上中红外光谱仪示意图。(b) 自支撑波导集成热辐射探测器的设计结构和工作原理。

传统的激光吸收光谱系统虽然效果良好，但因体积庞大和光束对准复杂等问题受到限制。基于波导的片上激光吸收光谱系统提供了一个紧凑的解决方案，可以与光电子和电子器件无缝集成，同时降低功耗。然而，由于光程较短和传输损耗较高，要达到工业应用所需的严格检测限制仍面临挑战。

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设计原理与工作机制

本文提出的自支撑波导集成热辐射探测器在解决这些挑战方面取得重要进展。该器件采用创新的空气槽结构，提高了热隔离效果并改善了整体性能。

图2：热传导示意图及其对热辐射探测器性能的影响，展示了降低热串扰和提高热效率如何提升器件性能。

工作原理包含几个关键步骤。输入光通过条形波导进入自支撑波导，随后被重掺杂p型锗通过自由载流子吸收（FCA）吸收。吸收的光转化为热量，传导到由TiO2和Ti组成的上层热敏材料。

图3：不同类型锗（本征、p型和n型）在中红外区域的吸收系数随波长变化的曲线图。

空气槽结构显著提高了器件的热效率（定义为单位输入功率的平均温度升高）。这种提升主要是因为空气槽有效抑制了从波导到埋氧层的热传导。

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制造工艺与实现

制造工艺采用了CMOS兼容的材料和技术，涉及多个精密步骤。

图4：(a) Ge-OI晶圆及自支撑薄膜的逐步制造工艺示意图。(b) 透射电子显微镜图像显示结构细节。(c) 高分辨X射线衍射图展示晶体质量。

工艺首先使用反应离子刻蚀技术制作4微米深的空气槽，然后通过射频溅射沉积1.5微米厚的Y2O3作为埋氧层。化学机械抛光确保晶圆键合所需的表面平整度，实现约0.522纳米的粗糙度。

图5：光学显微镜图像展示(a)制作完成的器件，包括输入波导和参考波导，以及(b)位于空气槽上方的自支撑热辐射探测器详细视图。

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性能表征与测试

该器件在多个性能参数方面表现出色。

图6：热敏层的全面表征，包括I-V特性、温度依赖性、阿伦尼乌斯图和TCR测量结果。

温度依赖性测量显示热敏层具有明显的欧姆特性。随着温度升高，器件的电阻显著降低，在293K时实现了-2.49%/K的温度系数。

图7：光学测量结果，展示输入功率下的归一化电阻变化、提取的灵敏度测量和时间稳定性测试结果。

在73微瓦输入光功率下，器件实现了-1.789%/微瓦的灵敏度，相比传统设计有显著提升。0.1赫兹的时间稳定性测量显示光电流值保持稳定，证实了该自支撑波导集成热辐射探测器的优异稳定性。

结合CMOS工艺兼容性和高达13微米的光谱覆盖范围，该器件为高性能中红外片上光谱应用提供了有效解决方案，可用于开发紧凑型、高灵敏度的分子检测系统。