热反射显微镜对于硅光子传感器自由载流子吸收的高灵敏波导集成辐射热研究

摘要：传统光子探测器必然面临波长选择性强和光谱带宽窄等关键挑战，这对于需要宽光谱范围的光谱应用而言是不利的。鉴于此，韩国科学技术院（KAIST），韩国纳米科学中心（NNFC）和韩国科学技术研究院（KIST）提出了一种基于自由载流子吸收的波导集成红外光谱辐射热计，并将其应用于绝缘体上硅（SOI）平台，在近红外（NIR）波段（1520-1620 nm）实现了平坦的光谱响应并且进行了深入的热分析，并系统地研究了探测器几何形状的依赖性。从而获得了优异的性能：电阻温度系数（TCR）为-3.786%/K，灵敏度为-26.75%/mW，且波长依赖性低，这些数值是目前报道的波导辐射热计中的最高值。

研究背景

硅（Si）光子集成电路利用极其成熟的硅互补金属氧化物半导体（CMOS）生态系统[1,2]，在近红外（NIR）光谱传感领域展现出巨大的应用潜力。借助独特的分子吸收特性，例如倍频光谱[3]和痕量气体[4]、挥发性有机化合物[5,6]以及生物分子[7-9]的光学检测，硅光子集成电路在近红外光谱传感领域具有显著优势。包括低检测限、高灵敏度、高稳定性、非侵入式分析以及芯片级器件的无标记检测[13-15]。此外，硅光子传感器还具有与纳米电子器件集成到单个芯片上，实现信号处理、通信和计算等多种功能的巨大潜力[16]。

与光子探测器相比，热探测器通常灵敏度和响应速度相对较低；然而，这些性能足以满足传感器的要求，并且可以通过几何设计等方法进一步提升[21]。另一方面，它们通常在光谱带宽、平坦光谱响应、非制冷光电探测和成本效益方面表现出优异的指标，这些对于传感应用而言至关重要。因此，与光子探测器不同，热探测器可能是满足所有关键要求的理想选择，这为热探测器与硅光子传感器的结合提供了机会

Fig 1. (a) 光子探测器和 (b) 热探测器的工作原理。(c) 光谱响应比较。(d) 通过比较  型光子探测器和热探测器的性能指标，阐述宽带传感应用的关键要求。

为了充分发挥热探测器在硅光子传感器中的优势，我们提出了一种新型的波导集成辐射热计概念。这种热探测器的电阻变化并非源于光电流的产生，而是源于吸收光引起的温度变化。迄今为止，鲜有报道将辐射热计集成到硅基波导上。最近，我们利用氧化钛（TiOx）薄膜作为辐射热计材料，在硅波导中实现了辐射热计光电探测[26,27]。该方法利用重掺杂硅和金属（Au）条带分别吸收光，从而实现自由载流子吸收（FCA）和金属吸收。该方法表现出良好的性能；然而，在CMOS代工厂中使用贵金属并不理想，因为它们会污染电路[28]。此外，尚未对波导几何结构进行全面分析，而这对于最终器件性能以及明确的应用设计指南至关重要。

基于我们之前的工作，本文仅采用重掺杂硅（n+ Si）作为光热源的FCA机制，无需贵金属即可实现高效光吸收，并具有CMOS兼容性和极简的制造工艺。本文实验验证了一种基于FCA的波导集成辐射热计，该辐射热计采用TiOx/Ti/TiOx三层薄膜作为绝缘体上硅（SOI）平台上的辐射热计材料。我们还通过定量热分析系统地研究了探测器几何形状的依赖性，从而为优化器件性能提供了有益的见解。所提出的辐射热计探测器取得了令人鼓舞的结果：温度系数（TCR）为-3.786%/K，灵敏度为-26.75%/mW，且在近红外（1520-1620 nm）波段具有近乎平坦的光谱响应，据我们所知，这些数值是迄今为止报道的波导辐射热计的最高值。此外，该探测器还展现出清晰的开关响应，上升/下降时间为24.2/29.2 µs，3 dB滚降频率约为22 kHz，足以满足各种传感应用的需求。由于硅中的 FCA 可以扩展到远超近红外的范围，我们的结果确实为具有单片集成探测器的硅光子传感器提供了巨大的潜力，从而实现了从近红外到中红外的超宽光谱带宽。

2. 器件概念与设计

Fig. 2(a) 展示了典型的硅光子传感平台的示意图，该平台由三部分组成：光源、被动传感部分和探测器。特别是对于利用吸收光谱的光学传感器[13]，在被动传感部分中发生强烈的光-物质相互作用后，可以通过排列的探测器监测透射光的光学特性变化，该变化对各种外部和环境刺激非常敏感。

为了实现硅光子传感器中探测器的单片集成，我们提出了一种基于FCA的波导集成式辐射热计，该辐射热计位于图2(b)所示的SOI结构上。硅波导内辐射热光电探测的关键原理是基于硅中FCA机制实现的高效光热转换[29]。它能够以极简的方式实现探测器结构，并采用传统的光刻工艺，无需进行浅蚀刻。

Fig 2. (a) 示意图。(a)典型的硅光子传感平台。(b) 所提出的基于 FCA 的波导集成辐射热计。入射光功率 (∆P) 可通过辐射热计材料电阻的变化 (∆R) 来反映，而电阻的变化是由温度变化 (∆T) 引起的，这种变化与 n+ 硅中的 FCA 有关。

需要多个蚀刻步骤或任何用于光吸收的纳米结构的设计都需要额外的制造步骤，例如电子束光刻。为了充分利用硅中的自由电子吸收（FCA），我们采用重掺杂n型硅（n+ Si）作为光吸收介质，因为在波长小于~4 µm时，硅中的自由电子的吸收系数远大于自由空穴的吸收系数[27]。需要强调的是，硅中的FCA强度随着掺杂浓度或光波长从近红外（NIR）到中红外（MIR）范围的增加而增强，并且其温度依赖性较弱[29,30]。因此，将重掺杂硅引入辐射热计探测器作为光吸收体，可能是实现超宽带辐射热计响应的有效方法。由于n+ Si内部光吸收产生的局部热量，热量会传导至给定的辐射热计材料（如图2(b)所示），并伴随其电阻的变化。在我们的设计中，辐射热计材料由TiOx/Ti/TiOx三层薄膜构成。我们之所以选择TiOx基薄膜作为辐射热计材料，是因为其具有优异的物理和化学性质[31-33]。

总而言之，所提出的探测器的工作原理是：n+ Si吸收入射光，并通过FCA效应引起的n+ Si区域温升(∆T)将吸收的光能转化为热能，从而改变辐射热计材料的电阻(∆R)。最后，可以通过电阻的变化来确定入射光功率(∆P)，并将其转换为电信号输出。

为了验证所提出的基于FCA加热过程的辐射热计探测器的可行性，并探究n+硅波导（辐射热计区域）的几何依赖性，我们进行了热仿真。该仿真采用Ansys Lumerical软件包进行。在热仿真中，热源采用三维时域有限差分法（FDTD）求解器建模，随后导入HEAT求解器。所设计的波导结构仅支持基模TE模式，输入光功率为1 mW，波长（λ）为1550 nm。背景温度设置为293 K。该仿真中引入了SOI平台，其顶部硅层厚度为220 nm，埋氧层（BOX）厚度为2 µm。n+硅的掺杂浓度采用1020 cm−3，吸收系数约为1942.73 cm−1，该值由文献[29]计算得出。为便于建模，辐射热计材料和绝缘层分别假设为厚度为 100 nm 的 TiO₂和 10 nm 的SiO₂。本模拟中材料的热学性质见补充材料 1 中的表 S1。

Fig 3. 图(a) 和 (b) 分别为器件 A（WB = 6 µm，LB = 5 µm）稳态温升分布的热仿真结果，以及沿传播方向的 (a) 三维视图和 (b) 横截面视图。图 (c) 和 (d) 分别为模拟的几何相关热效率 (ηth) 和背向反射率的等值线图。图 (e) 为 WB = 6 µm 时 ηth (K/mW) 和背向反射率 (dB) 的线轮廓图。输入光功率：1 mW，光波长 (λ)：1550 nm，n+ Si 掺杂浓度：1020 cm−3，背景温度：293 K

图 3(e) 显示了6 µm 波段下，ηth 和背反射率随波导长度 (LB) 变化的线轮廓。如图 3(e) 所示，为了同时获得较高的 ηth 和较低的背反射率 (< -15 dB)，强烈建议将波导长度设计得大于约 5 µm，这与典型硅波导光栅耦合器的背反射性能范围相当 [36–38]。在所有波段下均观察到类似的趋势。由于存在临界波导长度，因此可以得到如图 3(e) 所示的钟形曲线。因此，我们可以很容易地确定合理的波导长度范围，如图 3(c)和 3(d) 中的白色虚线所示。因此，我们根据此设计指南制作了多种尺寸的波导集成辐射热计，如表 1 所示。

3. 制备与测量

为了实验验证基于FCA的辐射热计光电探测，我们在200 mm SOI晶圆上制备了一种波导集成辐射热计，该辐射热计采用TiOx/Ti/TiOx三层薄膜结构，包含220 nm厚的顶层Si和2 µm厚的BOX层。我们采用离子（磷）注入法形成n+型Si光吸收介质，如模拟所示。详细的制备过程见补充材料1中的图S3。如上所述，我们制备了12个器件（器件A-L），如表1所示，用于系统研究几何形状依赖性。图4(a)中的光学显微镜图像展示了所制备的波导集成辐射热计（器件A）的概览。为了辅助输入光耦合，我们配置了1×2多模干涉（MMI）耦合器和参考波导。单模光纤 (SMF) 到光栅耦合器 (GC) 的最小耦合损耗经测量约为 4.31 dB（波长为 1574.8 nm 的 TE 偏振光）为了进一步探究器件结构，图 4(c) 至 4(g) 提供了横截面透射电子显微镜 (TEM) 图像以及能量色散 X 射线光谱 (EDS) 元素映射和线扫描轮廓，证实了各层的成功沉积和整体界面特性。为了提高器件性能，应考虑各层之间的界面特性和表面效应[39]。补充材料1中的图S6和图S7详细讨论了TiOx/Ti/TiOx三层薄膜的结构特性，并对沉积态样品（未对辐射热材料进行热退火处理）进行了分析，包括X射线衍射（XRD）分析。

Fig 4. （a）光学显微镜图像和（b）SEM图像，所示为所制备的器件（器件A）。（c）横截面TEM图像和相应的EDS元素映射图，分别为（d）Ti、（e）O和（f）Si。（g）EDS线扫描图，显示了沿（c）中绘制的线的Ti和O原子。

热反射显微镜（TRM250）是一种非接触式、非侵入式的温度成像方法，它能够提供高空间分辨率（亚微米级）的二维热图像，其原理是基于材料表面反射率随温度变化而发生的变化[40]。通常，TRM技术已被广泛用于识别缺陷引起的发热[41]或分析多层半导体器件中的自加热行为[42,43]。本文采用TRM方法来验证我们提出的基于FCA加热机制的探测器模型，并定量分析给定硅波导内的实时空间热分布。

首先对制备的 TiOx/Ti/TiOx 三层薄膜的电学和辐射热特性进行了表征。由于制备问题，后续测量仅包含器件 A-C。图 6(a) 显示了温度相关的电流-电压 (I-V) 曲线。

Fig. 5. 基于器件几何形状的热特性表征。(a) 模拟温度分布和 (b) 通过热反射显微镜 (TRM) 测量的器件 A-C 的热图像（输入光功率：∼1mW，光波长：1550nm）。辐射热计区域内的温度明显升高，表明硅中的 FCA 成功实现了光热转换。

（器件 B 和 C 的 I-V 特性曲线见补充材料 1 中的图S10(a) 和 S10(b)）。背景温度由热电冷却器(TEC) 控制器控制，温度范围为 293 K 至 343 K，间隔为 5 K (∆T = 5 K)。采用四探针法，使用半导体参数分析仪 (Keithley 4200A-SCS) 进行电学特性表征，电压扫描范围为 -1.0 V 至 +1.0 V，步长为 10 mV。如图 6(a) 和补充材料 1 中的图S10(a)-S10(b) 所示，观察到近乎线性的 I-V 特性曲线，表明所制备的 TiOx/Ti/TiOx 三层薄膜与 Ti/Au 电极之间的界面处具有良好的欧姆特性。

随后，如图 6(b) 所示，绘制了从 I-V 曲线获得的 0.5 V 偏置电压下的温度相关电阻值，结果表明电阻随背景温度升高而明显降低。我们特意将偏置电压保持在相对较低的水平，以避免任何不必要的自热效应引起的电阻变化，从而保护器件。该器件表现出典型的半导体特性，符合图 6(b) 所示的阿伦尼乌斯关系。

其中，R(T) 和T 分别为电阻和绝对温度，R₀为指前因子，kB 为玻尔兹曼常数，∆E 为活化能。因此，我们从图 6(c) 的线性拟合中提取了各器件的∆E 值，在 293 至343 K 的温度范围内，器件 A、B 和 C 的 ∆E 值分别为 0.280 eV、0.269 eV 和 0.267 eV。利用提取的 ∆E 值，我们使用以下关系式计算了不同温度下辐射热计材料的温度系数(TCR)，该温度系数定义为相对温度系数。

Fig. 6. (a) 所制备的波导集成辐射热计（器件 A）在背景温度从 293 K 变化到 343 K (∆T = 5 K) 时的I-V 曲线。(b) 0.5 V 电压下电阻随温度的变化。(c)阿伦尼乌斯图 [ln(R) vs. 1000/T]。每条虚线代表用于提取活化能 (∆E) 的线性拟合。(d) 器件 A 的温度系数 (TCR) 随背景温度的变化，在 293 K 时为 -3.786%/K。(e)几何归一化电流噪声功率谱密度 (SI/I² × WB × LB) 随频率的变化（器件 A-C）。

电阻导数与温度的关系

如图 6(d) 和补充材料 1 中的图 S10(c)-S10(d) 所示，器件 A、B 和 C 在 293 K 下的 TCR 值分别为-3.786%/K、-3.632%/K 和 -3.618%/K。其中，器件 A 的 TCR 值 -3.786%/K是目前报道的波导集成辐射热计中最高的。由于可以通过控制各层厚度和热处理条件来轻松调节 TiOx/Ti/TiOx三层薄膜的电学和辐射热特性 [34]，因此仍有很大的改进空间。

从实际传感应用的角度来看，噪声特性也是硅光子传感器的关键性能指标之一，它决定了传感器的检测极限。为了评估所制备的波导集成辐射热计的噪声特性，我们分析了不同几何结构（器件A-C）下制备的辐射热计材料的低频噪声特性，且未进行光耦合。测量过程中，在室温下施加0.5 V的固定偏置电压。所有测量条件均严格保持一致。噪声测量是在韩国传感器实验室有限公司（Korea Sensor Lab Co., Ltd.）的超低噪声屏蔽室内进行的，该公司是韩国实验室认可计划（KOLAS）认可的机构（国际认可的测试实验室）。如图 6(e) 所示，我们绘制了三个器件的几何归一化电流噪声谱密度 (SI/I2×WB × LB)，以比较噪声幅度，而与波导尺寸无关。

这些结果是通过对时变电流波动进行傅里叶变换得到的。噪声特性主要符合1/f 曲线（图 6(e) 中的虚线），表明所测噪声主要来源于闪烁噪声（1/f 噪声）[47]。更重要的是，不同器件之间未观察到显著差异，这表明 1/f 噪声的主要来源可能是材料本身而非外部因素 [48]，为器件的进一步改进提供了很大的空间。

Fig. 7. (a) 归一化电阻随输入光功率 (Pin) 的变化曲线，用于评估所制备的波导集成辐射热计（器件 A-C）的灵敏度，该曲线通过线性拟合获得（Pin > 100 µW）。(b) 器件 A 在 1520 至 1620 nm 范围内的光谱响应，步长为 5 nm。插图显示了归一化灵敏度与模拟热效率的关系。

为了评估热辐射光电探测的性能，我们测量了器件 A-C 的电阻光学响应。图 7(a) 显示了 TiOx/Ti/TiOx 三层薄膜的归一化电阻随输入光功率 (Pin) 的变化，波长为 1550 nm，并根据器件几何形状进行了调整。器件工作期间，偏置电压固定为 0.5 V。如上所述，由于 n+ Si 中 FCA 引起的温度升高，电阻与 Pin 成反比，这与图 5 中描述的热分析结果相符。

我们还测量了所制备的波导集成辐射热计（器件 A）在 1520 至 1620 nm 波长范围内的光谱响应，步长为 5 nm，如图 7(b) 所示。由于GC 的带宽有限，可调谐激光器的扫描波长范围仅为 100 nm。在校准无源器件的损耗后，将输入功率 (Pin) 设置为约 0.5 mW，并在测量过程中对器件施加 0.5 V 的固定偏置电压。如图 7(b) 插图所示，如果我们对测量波长范围内的灵敏度进行归一化，则在约 10% 的范围内可获得近乎平坦的光响应，这与仿真的热效率基本吻合。这种光谱平坦且无截止波长的光响应在广泛的光谱应用中具有很高的竞争力，这与硅在~1 µm以上波长选择性光响应的急剧下降以及锗和InGaAs在~1.6 µm以上波长选择性光响应的急剧下降[49]截然不同。因此，我们提出的探测器提供了一种安全可行的方案来克服传统光子探测器的常见缺点，即强波长选择性响应和窄光谱带宽，从而使基于FCA的波导集成辐射热计成为硅光子传感器探测器的理想候选者。如图7(b)所示，灵敏度随波长增加略有上升的物理原因主要是由于硅在长波长处的FCA增强[29]。

图 8(b) 显示了测得的响应时间，表明随着器件 LB 值的降低，响应时间也逐渐缩短，这是由于热容量降低，从而减少了升温所需的能量[50]。此外，我们还注意到，所有器件的下降时间均略长于上升时间。这种不对称响应很可能是由于硅芯下方的埋入式氧化层 (SiO2) 具有较高的隔热性，从而减缓了散热。

Fig. 8. (a) 所制备的波导集成辐射热计（器件 A）在 1 kHz 调制入射光（波长：1550 nm，光功率：∼0.5 mW）作用下的时间分辨响应，图中放大显示了上升时间（橙色虚线）和下降时间（紫色虚线）。(b) 器件 A-C 的测量上升时间和下降时间。(c) 归一化响应（以调制频率表示），图中显示了各器件的 3 dB 滚降频率 (f_3dB)。

我们还评估了归一化相对辐射热响应随调制频率的变化，如图 8(c) 所示。如图所示，随着频率的增加，响应逐渐下降，器件 A、B 和 C 的 3 dB 滚降频率 (f_3dB) 分别达到 22、15 和 7 kHz，从而能够在中等偏高的调制频率下工作。值得注意的是，器件尺寸越大，热容量越大，f_3dB 就越窄。虽然将带宽极限提升到更高水平是理想的，但在光谱学应用中，所需的响应速度相对较慢，与电信/数据通信应用相比，这表明所提出的辐射热探测器足以广泛应用于光学传感器领域。典型的基于吸收光谱的光学气体传感器的响应时间约为 1 秒 [51]。最后，通过噪声谱密度与灵敏度的比值估算了辐射热计探测器的噪声等效功率 (NEP) [25]。器件 A、B 和 C 在 500 Hz 下的 NEP 分别为 2.5 × 10⁻⁸、4.4 × 10⁻⁸ 和9.6 × 10⁻⁸ W/Hz¹/²。NEP 的计算细节见补充材料 1 中的图 S13。

所制备器件的整体性能特征总结于补充材料 1 中的表 S2。基于这些结果，可以得出结论：通过根据目标分析物和光谱应用的要求，仔细调控 n⁺ Si 区域的几何参数，可以定制器件的性能。表 2 总结了基于辐射热计效应的先进波导集成光电探测器的性能指标，以便与本文进行全面比较。

4. 结论

综上所述，我们提出并实验验证了一种基于FCA的波导集成式辐射热计，其辐射热计材料为TiOx/Ti/TiOx三层薄膜，适用于硅光子传感器。该辐射热计光电探测的核心思想是利用重掺杂(n+)硅中的FCA进行光热转换，FCA作为高效的光学热源。我们系统地研究了探测器几何形状对器件性能的影响，并根据应用需求制定了清晰的设计指南，从而优化了器件性能。此外，我们还利用时间分辨(TR)测量进行了定量热分析，以验证基于FCA的加热效应。所制备的波导集成式辐射热计在最佳性能参数下表现出优异的性能，温度系数(TCR)为-3.786%/K，灵敏度为-26.75%/K，并且在1520-1620 nm波长范围内具有近乎平坦的光谱响应（变化范围约为10%）。在时间分辨测量中，我们获得了稳定且可重复的辐射热计响应，其上升/下降时间分别为 24.2/29.2 µs，3 dB 滚降频率达到约 22 kHz，足以满足广泛的传感应用需求。通过进一步优化几何结构（采用热隔离结构）和提高温度系数 (TCR)（利用 TiOx/Ti/TiOx 三层薄膜中可调的辐射热计特性），器件性能有望大幅提升。由于硅中的 FCA 可扩展到近红外 (NIR) 以外的波段，我们的方案可以作为一种无需低温冷却即可将工作范围扩展到中红外 (MIR) 波段的可行策略。因此，结合其与 CMOS 工艺的兼容性以及探测器配置的简易性，基于 FCA 的波导集成辐射热计可以有效地作为关键构建模块，加速实现具有超宽光谱带宽和强检测复用能力的硅光子传感器。

基金资助：

韩国国家研究基金会（2020R1F1A105271813, 2022M3I8A107725711）

韩国科学技术研究院（2E31372）；国家纳米制造中心（PA0107005）

BrainKorea 21 (BK21) FOUR

韩国政府（科学技术信息通信部）资助的信息通信技术振兴院项目（2022-0-00208）