导读

中红外光谱区因其吸收峰具有极强的特征性，被形象地喻为 “分子指纹区”。中红外光谱技术能够通过红外振动指纹实现无标记、无损的材料识别，在化学和生物分析领域具有重要意义。然而，现有的波导集成中红外（MIR）光电探测器在宽带光响应、无制冷运行以及与CMOS兼容制造等方面面临诸多难题。

韩国科学技术院（KAIST）的研究团队创新性地提出一种基于热辐射测量效应与锗自由载流子吸收的室温波导集成光电探测器。该探测器实现了宽带响应与二氧化碳无标记传感，为中红外光子集成电路的发展开辟了新方向。

该文章近日发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Room-temperature waveguide-integrated photodetector using bolometric effect for mid-infrared spectroscopy applications”，韩国科学技术院（KAIST）的Joonsup Shim为论文第一作者，SangHyeon Kim为论文通讯作者。

研究背景

随着光子集成电路（PIC）技术的持续发展，传统光谱仪的小型化具备了基础条件。但中红外光电探测器与波导平台的集成问题，成为制约片上实验室系统发展的关键瓶颈，二者集成效果直接关系到光电转换效率，以及光谱检测的稳定性和可靠性。

在传统表面照明条件下，中红外光电探测器多依赖HgCdTe合金、Ⅲ-Ⅴ族化合物等窄带隙半导体材料。这类材料虽在中红外波段具有较高的光电转换效率，但在室温环境下会产生较高的热噪声，需要低温冷却才能正常工作。而冷却设备体积庞大且成本高昂，不仅大幅增加了系统成本和维护难度，还限制了其在便携式设备、野外作业等场景的应用。

近年来新兴的二维材料（如石墨烯和黑磷），虽然能够在室温下工作，但石墨烯的零带隙特性导致暗电流较高，黑磷在环境中性能容易退化。且二者在CMOS兼容工艺和晶圆级集成方面仍面临较大挑战。

热型光电探测器基于光热转换原理，能够将光产生的热量转化为电信号，具有对波长不敏感的优势，适用于宽光谱光信号的检测。然而目前利用热检测机制实现3 μm以上波段的波导集成中红外光检测的研究较少，且现有探测器普遍存在响应度低、宽带检测受限以及与CMOS 工艺不兼容等问题。因此，开发一种室温下工作的、与CMOS兼容的中红外光电探测器具有重要的科学意义和应用价值。

研究团队通过创新性地运用锗的自由载流子吸收与热辐射效应，并以氧化钛作为基热辐射材料，为CMOS集成或混合集成下的非制冷中红外光电探测提供了可行方案。该研究基于适配CMOS工艺的绝缘体上锗(Ge-OI)光子平台，在大于3 μm的波段内，波导集成热型光电探测器实现突破性的超高光响应率。该团队将传感波导与探测器集成于同一芯片进行二氧化碳气体传感测试，充分验证了室温下该探测器进行分子无损、无标记检测的可行性。

创新研究

研究团队提出了一种基于绝缘体上锗（Ge-OI）架构的非制冷波导集成光电探测器，该探测器利用热辐射效应和锗的自由载流子吸收特性，实现了宽带光响应和室温下的高效光检测。如图1(a)所示，器件槽波导采用空气包层结构，增强光吸收和场限制能力，进一步提升传感灵敏度。利用热辐射测量效应与锗的自由载流子吸收效应，选用TiO₂/Ti/TiO₂的三层膜作为热辐射测量材料，通过优化其各层厚度来调控温度相关的电性能。为增强自由载流子吸收效应，选择重掺杂的P型锗作为中红外吸收介质。经图1(b)所示的模拟优化，确定探测器区域长度为4 μm、宽度为8 μm，此时能在合理的背向反射下实现高效的自由载流子吸收诱导加热的效果。

图1. 波导集成中红外光电探测器结构设计图

研究团队对器件基于热辐射效应的波导集成光电探测器的热电特性展开研究，如图2所示，通过测量不同温度下的电流-电压曲线，结果呈现出近线性的欧姆特性。通过分析电阻-温度关系，计算出激发能量为0.315 eV。在293 K时，器件的电阻温度系数（TCR）达到 －4.262% /K，是目前波导集成光电探测器中的最高值，这一优异的TCR值极大地增强了光热辐射检测能力。

图2. 探测器的热电特性

此外研究团队精确校准入射到探测器区域的光功率，并全面测量了器件的光响应性能，如图3所示，在4.18 μm波长处，器件响应度高达12.19 mA/W，超越了先前波导集成热型光电探测器的性能。其频率响应在1 kHz内保持稳定，光谱响应在 4030-4360 nm范围内呈宽带特性，无截止波长，长期稳定性良好。在连续开关测试中，光电流生成稳定且可重复。

图3. 探测器的光响应特性

如图4(a)所示，该团队在单个Ge-OI芯片上集成了5 mm长的槽波导与探测器，以二氧化碳为目标分析物进行传感演示。如图4(d)所示，利用光与分析物在槽波导中的相互作用，通过测量光电流信号来检测二氧化碳浓度变化。实验实现了 0.0696% /ppm的灵敏度，并且光电流信号随二氧化碳浓度变化呈现出清晰、可重复的变化趋势，无记忆效应。

图4. 光学传感演示

应用与展望

本文针对中红外光谱检测面临的难题，提出了基于Ge-OI平台、结合热辐射测量效应与锗的自由载流子吸收效应的波导集成光电探测器设计方案。在器件架构方面，精心设计了槽波导与探测器的集成结构，并对热辐射测量材料和锗掺杂相关参数进行了优化。总体而言，该研究突破了传统技术的局限，为中红外光电检测提供了全新的解决方案。

展望未来，在器件性能优化方面，可通过进一步提升锗的自由载流子吸收效应诱导加热的效果、改进器件几何设计、优化热辐射测量材料等手段，在保证低暗电流的同时提高光响应度。

在应用拓展方面，集成中红外光源，如：带间级联激光器和量子级联激光器，有望实现完整的片上光谱分析系统；结合计算光谱技术，能够减少系统体积和功耗，增强多分析物实时检测能力，为环境监测、生物医学等领域提供更强大的技术支持，推动中红外光谱检测技术的广泛应用和发展。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01803-3