在光通信、量子計算及高精度光譜分析領(lǐng)域，硅基光電探測器憑借其與CMOS工藝兼容、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢成為核心器件。然而，暗電流（無光照時的漏電流）作為制約探測器靈敏度的關(guān)鍵因素，其抑制技術(shù)直接決定器件性能上限。本文從工藝創(chuàng)新與測試驗(yàn)證雙維度，系統(tǒng)闡述硅基光電探測器暗電流抑制的前沿進(jìn)展。

一、工藝改進(jìn)：從材料到結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性優(yōu)化

1. 勢壘增強(qiáng)層設(shè)計

傳統(tǒng)ITO/n-Si結(jié)構(gòu)因肖特基勢壘高度不足，導(dǎo)致暗電流密度高達(dá)2.6×10?3 A/cm2。中國科學(xué)院物理研究所團(tuán)隊(duì)通過引入納米級Au薄膜作為勢壘增強(qiáng)層，構(gòu)建ITO/Au/n-Si三明治結(jié)構(gòu)，將肖特基勢壘高度從0.65eV提升至0.92eV。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，-1V偏壓下暗電流密度驟降至3.7×10?? A/cm2，較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)降低7000倍，整流比達(dá)1.5×10?，創(chuàng)下硅基紅外探測器國際最高紀(jì)錄。該技術(shù)通過精確控制Au層厚度（2-6nm），在保障器件響應(yīng)度的同時實(shí)現(xiàn)暗電流的指數(shù)級抑制。

2. 界面態(tài)鈍化處理

表面缺陷態(tài)是暗電流的重要來源。重慶綠色智能技術(shù)研究院團(tuán)隊(duì)采用原子層沉積（ALD）技術(shù)，在硅基探測器表面生長10nm氧化鋁鈍化層，使界面態(tài)密度從1012 cm?2降至101? cm?2。測試表明，鈍化處理后器件暗電流在-5V偏壓下減少82%，且在125℃高溫環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)器件溫度漂移導(dǎo)致的性能衰減問題。

3. 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：雙肖特基結(jié)與體肖特基結(jié)

為擴(kuò)大熱電子注入角度范圍，研究者提出雙肖特基結(jié)設(shè)計。通過在金屬-硅界面引入周期性納米結(jié)構(gòu)，使熱電子注入效率提升3倍，同時暗電流僅增加15%。此外，體肖特基結(jié)技術(shù)通過三維立體接觸設(shè)計，將金屬-半導(dǎo)體接觸面積減少60%，在1310nm波長下實(shí)現(xiàn)0.1pA/μm2的超低暗電流密度。

二、測試驗(yàn)證：從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的閉環(huán)控制

1. 暗電流測試標(biāo)準(zhǔn)化流程

暗電流測試需在遮光罩兼屏蔽盒內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度控制在25±0.5℃，光源波動<0.1%。測試電路采用10kΩ保護(hù)電阻，通過Keithley 2400源表采集數(shù)據(jù)。以ITO/Au/n-Si探測器為例，其暗電流-電壓特性曲線顯示，在-1V至1V范圍內(nèi)非線性系數(shù)<0.02，驗(yàn)證了勢壘增強(qiáng)層的有效性。

2. 溫度依賴性驗(yàn)證

暗電流與溫度呈指數(shù)關(guān)系，符合Arrhenius模型：

通過變溫測試系統(tǒng)（-40℃至125℃），研究者發(fā)現(xiàn)Au插入層使活化能（Ea）從0.32eV提升至0.58eV。在85℃高溫下，器件暗電流較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)降低99.7%，驗(yàn)證了勢壘增強(qiáng)技術(shù)的熱穩(wěn)定性。

3. 可靠性加速老化試驗(yàn)

采用85℃/85%RH環(huán)境進(jìn)行1000小時老化試驗(yàn)，器件暗電流增長率<5%，性能衰減符合JEDEC標(biāo)準(zhǔn)。在光通信應(yīng)用中，該技術(shù)使10Gbit/s系統(tǒng)誤碼率從10?3降至10?12，顯著提升傳輸可靠性。

三、技術(shù)展望：從近紅外到太赫茲的全波段突破

當(dāng)前，硅基探測器暗電流抑制技術(shù)已實(shí)現(xiàn)1310nm/1550nm通信波段的低噪聲探測，比探測率（D*）達(dá)1012 Jones量級。未來，隨著膠體量子點(diǎn)、二維材料等異質(zhì)集成技術(shù)的發(fā)展，硅基探測器有望拓展至太赫茲及中紅外波段。例如，通過柵壓調(diào)控石墨烯/硅肖特基結(jié)的勢壘高度，可實(shí)現(xiàn)暗電流動態(tài)抑制，為6G通信及自動駕駛激光雷達(dá)提供核心器件支撐。

從納米級勢壘工程到跨波段異質(zhì)集成，硅基光電探測器的暗電流抑制技術(shù)正推動光電集成向更高靈敏度、更低功耗方向演進(jìn)。隨著CMOS兼容工藝的持續(xù)突破，高性能硅基探測器有望在量子計算、生物傳感等領(lǐng)域引發(fā)新一輪技術(shù)革命。