热反射显微镜技术解析：基于自由载流子吸收的波导集成辐射热计在硅光子传感器中的应用

热反射显微镜技术解析：基于自由载流子吸收的波导集成辐射热计在硅光子传感器中的应用

传统光子探测器受限于波长选择性强与光谱带宽窄，难以满足宽光谱应用场景的需求。针对这一瓶颈，韩国科学技术院（KAIST）、韩国纳米科学中心（NFC）与韩国科学技术研究院（KIST）联合团队近期提出了一种基于自由载流子吸收（Free Carrier Absorption, FCA）机制的波导集成红外光谱辐射热计。该器件依托绝缘体上硅（Silicon-On-Insulator, SOI）平台，在近红外（Near-Infrared, NIR）波段（1520–1620 nm）实现了平坦的光谱响应。经过系统性的热力学分析与几何参数优化，研究团队成功将电阻温度系数（Temperature Coefficient of Resistance, TCR）提升至-3.786%/K，灵敏度达到-26.75%/mW，各项核心指标均创下当前波导集成辐射热计领域的最高纪录。

研究背景与技术优势

硅光子集成电路依托成熟的硅互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺生态，在近红外光谱传感领域展现出广阔前景。借助分子倍频光谱特性以及痕量气体、挥发性有机化合物与生物分子的光学检测能力，此类集成系统具备检测限低、灵敏度高的优势。同时，非侵入式分析、芯片级无标记检测以及信号处理与通信功能的单片集成，进一步拓宽了其应用边界。

尽管热探测器在响应速度上不及光子探测器，但其光谱响应平坦、带宽宽广、无需制冷且具备成本优势。通过几何结构优化，热探测器的性能指标已完全契合多数传感需求，为硅光子平台与热探测技术的融合提供了理想路径。

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。

为突破现有探测器的性能局限，研究团队设计了新型波导集成辐射热计。与传统依赖光电流产生的器件不同，该辐射热计通过光吸收引发的温升来驱动电阻变化。此前研究虽利用氧化钛（TiOx）薄膜与金（Au）条带在硅波导中实现了FCA与金属吸收，但贵金属引入CMOS产线易引发污染风险，且波导几何结构的系统分析尚属空白。本次研究摒弃贵金属方案，仅采用重掺杂n型硅（n+ Si）作为光热转换介质，结合TiOx/Ti/TiOx三层薄膜构建辐射热敏感层，在保障CMOS工艺兼容性的同时大幅精简了制造流程。

器件设计与热力学仿真

典型硅光子传感平台通常由光源、被动传感区域与探测器构成。在吸收光谱测量中，光与物质相互作用后的透射光特性变化可被串联探测器捕获。为实现单片集成，研究团队将辐射热计直接置于SOI结构之上。核心机制在于利用硅基FCA效应完成光热转换，该方案仅需传统光刻工艺，无需浅蚀刻或纳米结构图案化。相较于重空穴，波长低于4微米的红外光在硅中与自由电子的相互作用更为显著。自由载流子吸收强度随掺杂浓度升高及波长从近红外向中红外（Mid-Infrared, MIR）延伸而增强，且受温度波动影响较小。将n+ Si引入光吸收区，为构建超宽带响应探测器奠定了基础。吸收光能转化为局部热能后，热量传导至上方的TiOx基薄膜，引发电阻改变。通过热反射显微镜（Thermal Reflection Microscopy, TRM）等定量分析手段，可精确捕捉硅波导内的实时热分布。

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。

借助Ansys Lumerical软件包，研究团队采用三维时域有限差分法（FDTD）与HEAT求解器耦合，对器件热学特性进行数值模拟。在293 K背景温度、1 mW输入功率与1550 nm波长条件下，仅支持基模（Transverse Electric, TE）传输的波导结构被纳入模型。SOI平台设定为220 nm顶硅层与2 µm埋氧层（Buried Oxide, BOX），n+ Si掺杂浓度设为10^20 cm⁻³，吸收系数约为1942.73 cm⁻¹。辐射热计与绝缘层分别等效为100 nm TiO₂与10 nm SiO₂。热仿真结果显示，波导长度（LB）与波段宽度（WB）的匹配直接决定热效率（ηth）与背向反射率。当波段宽度固定为6 µm时，波导长度需超过5 µm方可兼顾高热效率与低背向反射（低于-15 dB）。该设计准则为后续器件阵列的制备提供了明确依据。

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：10^20 cm⁻³，背景温度：293 K

制备工艺与性能表征

实验验证阶段，研究团队在200 mm SOI晶圆上采用磷离子注入工艺制备n+ Si光吸收区，并沉积TiOx/Ti/TiOx三层结构。共计加工12款不同几何尺寸的器件（A至L），用于系统评估结构参数对性能的影响。光学显微镜与扫描电子显微镜（SEM）图像清晰呈现了器件形貌。横截面透射电子显微镜（TEM）配合能量色散X射线光谱（EDS）元素映射，证实了各功能层界面完整、沉积均匀。为探究界面特性与表面效应对性能的影响，研究团队结合X射线衍射（XRD）分析对未退火样品进行了详细表征。非接触式热反射显微镜技术凭借亚微米级空间分辨率，为验证FCA加热模型提供了直观依据。

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。

电学特性测试在热电冷却器（TEC）控温环境下展开，温度覆盖293 K至343 K。四探针法配合半导体参数分析仪测得的电流-电压（I-V）曲线呈现高度线性，表明薄膜与Ti/Au电极接触处具备优良的欧姆特性。在0.5 V安全偏置电压下，电阻值随环境温度升高呈指数级下降，严格遵循阿伦尼乌斯（Arrhenius）关系。通过线性拟合提取的活化能（ΔE）数值分布在0.267 eV至0.280 eV之间。基于电阻温度导数关系，计算得出器件A在293 K下的TCR高达-3.786%/K，显著优于现有同类报道。TiOx基薄膜的物性可通过层厚控制与热处理工艺灵活调节，未来性能提升空间广阔。

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。

噪声特性直接关乎传感器的检测极限。在室温固定偏压下采集的低频噪声谱显示，各器件的几何归一化电流噪声密度高度吻合，主要受1/f闪烁噪声主导。这一结果表明噪声源主要来自材料本征特性，而非外部干扰，为后续工艺优化指明了方向。

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）。

光谱响应与动态特性

光学响应测试进一步验证了器件效能。在1550 nm波长下，归一化电阻随输入光功率增加而线性下降。光谱扫描覆盖1520至1620 nm，测得的光谱响应波动范围控制在10%以内，展现出极佳的平坦度。相较于锗（Ge）与砷化铟镓（InGaAs）探测器在1.6 µm处的性能陡降，该方案有效克服了传统光子探测器的波长选择性短板。响应时间测试表明，器件A的上升与下降时间分别为24.2 µs与29.2 µs。热容量差异导致不同器件的3 dB截止频率（f3dB）介于7至22 kHz之间，完全满足气体吸收光谱等常规传感应用的响应需求。经计算，器件A在500 Hz处的噪声等效功率（Noise Equivalent Power, NEP）低至2.5 × 10⁻⁸ W/Hz¹/²。

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。

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 (f3dB)。

结论与展望

该研究成功构建了一种兼容CMOS工艺的波导集成辐射热计。依托重掺杂硅中的自由载流子吸收机制，光热转换效率与器件稳定性得到显著提升。通过系统性的几何参数调控与热力学仿真，研究团队确立了明确的设计规范。优异的TCR指标、宽谱平坦响应以及稳定的动态特性，均证明该探测器在硅光子传感领域具备极高的应用价值。未来，结合热隔离结构优化与薄膜材料物性调控，器件性能有望进一步突破。自由载流子吸收机制天然支持波长向中红外波段延伸，该方案为开发无需制冷、超宽光谱带宽且具备多路复用能力的硅光子传感器提供了切实可行的技术路径。

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）

审核编辑 黄宇