波长传感器是一种能够以定量方式区分不同波长的光电子器件。作为图像传感器的补充，波长传感器，因其在安防监护、自动驾驶、无人机和遥感等技术的广泛应用而倍受关注。传统的光谱鉴别需要衍射光栅、滤波器等光学组件构成的复杂光学系统，这将导致光谱分辨系统体积和成本增加。同时，由于滤光器对入射光的吸收或反射会导致光子损失，从而影响系统的探测效率和光谱区分范围。因此，基于新型器件结构的微型无滤波辅助波长传感器的研究成为了国内外学者关注的焦点。在目前的研究报道中，大多数无滤波辅助波长传感器存在光谱区分范围较窄或波长分辨率低等问题。
为了解决上述问题，近日，永利集团先进半导体器件与光电集成实验室罗林保教授提出了一种新的具有简易结构的波长传感器，该传感器由两个相同的背对背肖特基结光电探测器组成（图1a）。根据计算机辅助设计技术（TCAD）模拟，由于硅的吸收系数与入射光波长存在依赖性，两种光电探测器在不同波长照射下的光吸收率存在巨大差异（图1b）。这种光电特性使得两个器件的光电流比与波长之间存在单调函数关系，通过该函数可以定量计算出入射光的波长（图2a）。进一步的器件分析表明，波长传感器能够区分紫外到近红外（265-1050 nm）范围内的波长。特别是，在450-900 nm的波长范围内，波长分辨率可达~1 nm，远优于之前报告的结果（图2b）。这些优异的器件性能指标以及简易的器件结构使其在下一代光电子器件中具有潜在的应用价值。
图1. （a）波长传感器结构示意图，两个Au/n-Si/Au光电探测器位于硅晶圆片的两侧，插图显示了单个Au/n-Si/Au光电探测器的FESEM图片。（b）通过TCAD仿真600 μm厚的硅衬底上265-2000 nm波长的光对应的光产生率。
图2.对波长传感器进行了实验验证，光强为1 mw/cm2，绿色曲线为工作曲线。（b）比较理论波长与真实波长。
该工作以“A UV to NIR Si Wavelength Sensor With Simple Geometry and Good Resolution”为题于发表在国际著名学术期刊IEEE Transactions on Electron Devices（2022，DOI:10.1109/TED.2022.3161253）。永利集团2019级博士生付灿同学为论文的第一作者，罗林保教授为通讯作者。论文工作得到国家自然科学基金、中央高校基本业务费以及安徽省先进功能材料与器件实验室开放基金资助。
论文链接 https://ieeexplore.ieee.org/document/9745193
（李建设/文/图 赵金华/审核）
