硅基异质结中波红外光电探测器的研究进展

摘 要：""""" 中波红外光电探测器是一种重要的光电探测设备， 利用光电效应将红外辐射转化为电信号， 广泛应用于制导、 无人机、 战斗机等平台， 在目标探测、 跟踪和识别方面有着重要作用。 而硅基异质结中波红外光电探测器以硅材料为基础， 结合了成熟的硅器件工艺和红外探测性能， 具有低成本、 易制备、 高集成等优势， 成为突破传统硅基光电子器件瓶颈的契机。 随着研究的不断进步， 硅基异质结中波红外光电探测器在各个方面都取得了很大的进展， 为红外光电探测技术带来了新的机遇和挑战。 本文从不同材料的硅基异质结进行了讨论， 具体阐述了新型锗/硅， 石墨烯/硅和化合物半导体/硅中波红外光电探测器的研究发展， 分析对比了不同材料的探测器的优点。

关键词："""" 半导体器件； 光电器件； 探测器； 中波红外； 硅基异质结

中图分类号：""""" TJ760； TN215

文献标识码：""" A

文章编号："""" 1673-5048（2024）06-0036-08

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2024.0164

0 引" 言

在中红外光谱范围内工作的硅基集成光子电路是检测和识别化学和生物物质的重要技术， 可用于在各种应用中检测微量有害和有毒物质， 包括环境监测、 危害检测、 工业过程控制和医疗诊断^［1-5］。 中波红外光电探测器在军事航空领域具有重要的应用价值。 该探测器具有优秀的红外成像能力， 灵敏度高， 能够穿透烟雾、 雾霾等复杂环境， 识别并追踪目标， 提供精准的目标信息， 在制导系统中， 可以确保导弹和火箭在恶劣的天气下也能实现精准打击， 提高命中率， 增强作战能力， 是红外制导的关键部分。 同时， 该探测器在无人机和战斗机上担任着夜视、 侦察、 识别和跟踪等任务， 提高了作战的安全性和隐蔽性。 此外， 该探测器还能用于红外搜索， 探测并跟踪敌方飞机等热源， 为军事侦察和防御提供了有力支持。 近年来， 集成了完整光学功能的中红外光子电路引起了人们极大的兴趣， 探索了许多用来开发基于硫化物玻璃^［6-8］、 量子级联激光器^［9-10］和硅光子学的集成中红外传感平台的方案^［11-14］。 其中， 中红外硅光子学的优势在于能利用基于微电子集成电路的大量制造技术来提供可靠且具有成本效益的解决方案。

传统的中波红外探测器主要基于化合物半导体材料， 如HgCdTe， InGaAs， InSb 等。 HgCdTe是目前最主要的探测器材料， 具有响应速度快、 量子效率高、 带隙可调整、 噪声小的优点， 但是在实现红外探测器方面也有许多问题。 HgCdTe探测器是通过调整Cd的组分来控制响应波长的， 要求精确的组分控制， 难度较高； HgCdTe探测器的最适宜工作温度是77 K， 且具有较弱的Hg-Te键， 在高温和其他复杂环境下性能不稳定； HgCdTe探测器的制备与Si基集成电路工艺不匹配， 需要复杂的制备工艺， 制造成本较高^［15］。 InGaAs， InSb等Ⅲ-Ⅴ族材料具有成熟的外延生长技术， 能制造出优秀的量子阱和超晶格结构， 使探测器获得优异的性能。 InSb探测器在中红外波段有较高的吸收系数， 响应度快， 灵敏度高， 但InSb器件必须在77 K温度下工作， 需要提供制冷环境， 增加了制造成本， 并且对高温下工作的InSb探测器需求越来越高， 高温会导致暗电流增加； InGaAs探测器光电转化效率高， 响应度快， 外延生长均匀性好， 有着成

熟的制备工艺， 抑制该探测器发展的主要问题是外延层与衬底之间的晶格失配， 这会影响生长高质量外延层， 影响探测器的性能^［16］。 而硅基异质结中波红外光电探测器以硅材料为基础， 结合了硅器件工艺的成熟性和红外探测的性能要求， 具有探测范围广、 制造成本低、 制备工艺简单、 易于集成等优势。 硅基异质结中波红外光电探测器的研究旨在通过引入其他材料或结构， 在硅基材料上实现红外波段的探测。 常见的方法包括利用量子结构、 纳米材料或光学增强结构等， 这些方法可以在硅基材料上实现红外光电探测， 并且具有较高的灵敏度、 快速响应等优点， 有望推动硅基红外探测技术的发展， 拓展其在各个领域的应用范围。

在中红外波段实现硅基异质结探测器也有一定的困难。 首先， 由于硅材料本身的缺点， 探测波长小于1.1 μm， 需要选择与硅兼容的材料， 调节带隙使探测器能够探测更长的波长范围； 其次， 硅和各种材料之间的晶格常数并不是完全匹配， 在硅衬底上外延生长其他材料时， 容易导致晶格失配， 产生缺陷； 此外， 有些中波红外探测器结构复杂， 要求精密的制备工艺， 如何实现高质量的外延生长技术是关键； 最后， 探测器的灵敏度和响应速度相矛盾， 提高灵敏度会导致响应速度的降低， 因此， 如何平衡灵敏度和响应速度也是一个重要的考虑因素。

本文从不同材料的硅基异质结进行讨论， 具体阐述了新型锗/硅， 石墨烯/硅和化合物半导体/硅基异质结中波红外光电探测器近年来的研究发展， 分析对比了不同材料的探测器的优缺点。

1 锗探测器

一般来说， SOI平台的固有缺点是Si不能吸收波长超过1.1 μm的光， 特别是对于重要的O到U光通信波段有很大的限制^［17-20］。 而锗的吸收波长覆盖了2～15 μm范围， 截止波长可达15 μm， 是用来扩展硅基探测器吸收波长的理想材料^［21］。 尽管Ge与Si的晶格失配很大， 利用MBE和CDV等技术可以在Si衬底上外延生长Ge薄膜。 锗光电探测器目前被认为是硅光子器件库中成熟的基本构建模块， 在过去的几十年里， 基于Ge的波导光电探测器^［22-25］已经取得了巨大的进展， 其具有优秀的性能特征， 可与通常用于光通信元件的III-V族半导体所实现的性能特征相媲美。 一些研究小组已经制作了新型锗硅波导光电探测器， 改进了光电探测器的特性。

2022年， Nguyen等提出了一种肖特基二极管SiGe中波红外光电探测器^［26］， 如图1所示。 集成光二极管基于生长在n掺杂Si衬底上的折射率沿垂直方向线性增加的SiGe波导， 波导宽度为6 μm， 蚀刻深度为5.5 μm， 通过一个嵌入式肖特基二极管收集产生的光电流。 该光电探测器在室温下工作， 波长在5～8 μm之间， 内部响应度高达0.1 mAW^-1， 工作脉冲短至50 ns， 这是高速工作的良好指标， 工作频率至少可达20 MHz。 这种集成光电探测器可以对芯片上的光监测产生强烈的影响。

2023年， Nguyen等提出一种使用pin二极管的波导型集成SiGe中波红外光电探测器^［27］， 如图2所示。 在非掺杂Si衬底上外延生长3 μm厚的Si0.6Ge0.4层， 然后是3 μm厚的渐变Si1-xGex层。 在该渐变层中， SiGe合金中Ge的分数x从40%线性增加到100%。 最后在该结构的顶部生长2 μm厚的Si0.3Ge0.7层， 有效地将光模限制在光子波导内并远离上部金属部分。 在集成波导中嵌入pin垂直二极管， 利用自由载流子等离子体色散效应， 从底部开始的第一个1 μm厚的Si0.6Ge0.4层被磷重掺杂， 形成N型区域， 掺杂浓度为1×10¹⁸ cm^-3； 上面300 nm厚的Si0.3Ge0.7层被硼重掺杂， 形成P型区域， 掺杂浓度为5×10¹⁸ cm^-3。 通过实验可知， 该器件脉冲频率为100 kHz， 占空比为5%， 3 dB带宽为32 MHz， 在5.2～10 μm波长范围内可以观察到光生电流， 内部响应度范围为0.5～1.6 mA/W。 该响应率远高于之前报道的肖特基二极管SiGe光电探测器实现的响应率^［27］， 为未来完全集成的中波红外光电探测器提供了希望。

2023年， Kumar 等提出一种能够工作在中红外波段的高性能的晶格匹配SiGeSn /GeSn/SiGeSn异质结双极型光电晶体管（HPT）和pin光电二极管， 其生长在无应变SiGeSn虚拟衬底上^［28］， 如图3所示。 为了实现无应变结构， 研究团队严格遵循SiGeSn/GeSn/SiGeSn异质界面处的晶格匹配原则， 减少了器件内部的界面缺陷与状态， 确保各层材料拥有相同的晶格常数。 通过调整Si与Sn的合金化比例， 成功生长出晶格完美匹配的异质结构。 利用有限元方法， 对器件结构进行模拟， 在λ=2 000 nm处， 无应变HPT的响应度和带宽分别为28.5 A/W和29.5 GHz， pin PD的响应度和带宽分别为0.97 A/W和91.22 GHz。 此外， 所提出的无应变HPT和pin PD的信噪比（SNR）高达68.4 dB和31.8 dB， 工作频率也达到10 GHz。 这些值高于以前报道的结果， 因此， 采用晶格匹配的SiGeSn/GeSn/SiGeSn异质结构可设计和制造用于MWIR应用（传感、 成像和光纤电信网络）的高性能检测器。

表1总结了近年来锗/硅中波红外光电探测器的性能参数^［26-31］。 可以看出， 文献［28］提出的高性能的晶格匹配SiGeSn/GeSn/SiGeSn异质结双极型光电晶体管（HPT）和pin光电二极管响应度最高， 其光学响应度随着反向偏压的增加而增加， 其原因是由于电流是由自由电子从发射极注入到基极区占主导地位。 SiGeSn/GeSn HPT具有28.15 A/W的模拟光学响应度， SiGeSn/GeSn pin PD在反向偏压为1 V时具有0.97 A/W的响应度， 相比之下， 由于SiGeSn/GeSn HPT的电流增益， 其响应度显著高于SiGeSn/GeSn pin PD。 由此可见， 增加的光吸收、 改善的电流增益和降低的暗电流共同作用， 能够进一步提高器件的响应度。 文献［29］提出的硅基GeSn异质结光电晶体管探测器在较高温度下的探测率表现出优异的性能， 由于光谱响应度的增加， 器件的探测率和响应时间都随着工作温度的增加而增加， 与现有的PD相比， 该器件具有高探测率、 高灵敏度和低响应时间。

上述锗/硅中波红外光电探测器有着优异的性能， 但是在生长过程中也有一些缺陷。 由于锗和硅的晶格常数不同， 将锗直接生长在硅上会存在4.2%的晶格失配的问题， 导致位错和应力， 增加暗电流， 从而降低了探测器的信噪比和探测能力， 可以通过生长合金作为缓冲层， 调整晶格常数来实现晶格匹配， 消除错位； 由于锗和硅的热膨胀系数不同， 在生长和冷却的过程中会产生热应变， 导致材料的性质变化和器件的性能降低， 可以在锗和硅之间引入具有不同热膨胀系数的材料实现热应变平衡， 或者使用热导率高的材料、 优化器件结构促进散热。

2 石墨烯探测器

石墨烯由于其独特的二维结构和多功能的电子和光学性质， 在高性能光电子器件的开发中受到极大关注， 已成为研究最广泛的2D材料^［32-34］。 特别是石墨烯表现出超高的载流子迁移率， 在低温下达到 2×10^-5 cm2/Vs^［35］， 极大地促进了载流子的输运， 并且单层石墨烯在 400～800 nm 波长范围内仅吸收 2.3%的入射光^［36］。 此外， 石墨烯还具有高导电性的半金属功能^［37-38］。 这种低光吸收和高导电性的独特结合使石墨烯成为潜在的透明电极^［39-40］。 因此， 可以通过将石墨烯转移到半导体上来形成肖特基结光电二极管， 这为太阳能电池二极管器件、 光电探测器和传感器提供了有利平台。

2019年， Liu 等提出一种基于石墨烯-石墨烯/硅异质结光电子效应的红外探测器， 原位生长的石墨烯纳米球（GNW）集成在硅衬底上与Au纳米粒子接口^［41］， 如图4所示。 由于GNWs的强红外吸收和热载流子弛豫过程， 制备的GNWs/Au/Si异质结的光暗比为2×104， 在1 550 nm和3.5 μm处的响应度分别为138 mA/W和0.44 μA/W， 线性动态范围为89.7 dB。 在室温下， 1 550 nm处偏置电压为-1 V处和基于噪声的探测率分别为1.4×10¹⁰ cm·Hz^1/2/W和1.6×109 cm·Hz^1/2/W， 上升时间为370 μs， 下降时间为510 μs， 在中红外波段也检测到明显的光响应， 达到0.44 μA/W。 该器件在硅兼容的红外光电探测器中具有最好的性能， 不需要任何复杂的波导结构。

2020年， Li 等提出一种石墨烯透明电极宽带InSb/Si异质结光电探测器^［42］， 如图5所示。 采用一步蒸发镀膜法在硅片上成功生长了InSb薄膜， 并制作了室温下工作的InSb/Si异质结光电探测器。 为了提高其性能， 在InSb层上转移了一层石墨烯（Gr）作为透明电极来收集电子并增加电导率， 并制作了Gr/InSb/Si光电探测器。 通过对InSb/Si， Gr/InSb/Si， Gr/Si几种不同结构器件性能的比较， 发现Gr/InSb/Si结构的器件性能最好。 该光电探测器表现出高性能的宽带光响应， 光电流增加了两个数量级以上， 探测率为1.9×10¹² cm·Hz ^1/2/W， 响应度为132 mA/W， 开/关比为1×105， 上升时间为2 μs， 3 dB截止频率为172 kHz， 响应波长覆盖635 nm， 1.55 μm和2.7 μm， 证明了石墨烯作为透明电极对提高硅基化合物半导体异质结光电探测器的性能有很大的作用。

2022年， Peng 等提出一个宏观组装的石墨烯（nMAG）纳米膜/硅异质结的超快中波红外光电探测器^［43］， 如图6所示。 该肖特基二极管在室温下工作于1.5～4.0 μm波长范围内， 在脉冲激光作用下， 响应速度较快， 仅有20～30 ns， 探测率也高达1.6×10¹¹～1.9×109 cm·Hz^1/2/W， 比单层石墨烯/硅光电探测器性能高2～8个数量级。 nMAG首次推动了PTI效应在实际器件中的应用， 极大地扩展了肖特基二极管的半导体探测波长。 该探测器的提出开辟了从宏观缺陷到高性能光电子器件的新途径， 提供了一条在室温下开发低成本和大规模宽带石墨烯基光探测器的可行途径。

表2总结了近年来石墨烯/硅中波红外光电探测器的性能参数^［41-46］。 可以看出， 文献［45］提出的石墨烯/HfO2/Si光电探测器通过简单施加较高的偏置电压， 实现了较高的光响应性， 达到了5 360 mA/W， 并且证实了可以使用栅极电压和偏置电压来有效地调谐器件的光响应性。 文献［42］提出的石墨烯透明电极宽带InSb/Si异质结光电探测器的探测率高达1.9×10¹² "cm·Hz ^1/2/W。 这是由于在InSb/Si器件的表面添加了一层石墨烯， 具有高载流子迁移率、 良好的导电性等优良特性， 其大部分载流子是由于掺杂衬底吸附空气中的氧和分子而引起的空穴， 这一添加导致光电流的显著增加， 以及响应时间的减少。 因此， 所得器件的响应率和探测率提高了2个数量级以上。

对于石墨烯/硅中波红外光电探测器而言， 虽然拥有高载流子迁移率、 较宽的光谱吸收范围和灵活的能带结构等优势， 但是这也会导致其对特定波长的选择性较差， 难以满足高精度探测的需求， 灵敏度降低； 同时， 石墨烯与硅接触时， 界面态和表面缺陷可能导致载流子复合的增加， 探测器的光生载流子减少， 响应度降低， 量子效率也会受到影响； 并且在长期使用过程中， 水分和氧气等会影响到探测器， 导致性能下降。 因此， 可以引用其他二维材料形成复合异质结， 或者增加纳米结构， 来提高灵敏度和响应度； 通过优化制备工艺和封装技术， 保护探测器， 减少环境因素对器件性能的影响， 提高稳定性。

3 化合物半导体探测器

除了锗和石墨烯这种应用广泛的材料之外， 还有一些材料如MoS2， Bi2Se3， Ⅲ-Ⅴ族化合物等能够与硅形成异质结来制造中波红外光电探测器， 这些材料具有优异的光学性能和电学性能， 能够实现高效的光电转换。

2018年， Chen 等提出第一个硅基InAs/InGaAs/GaAs量子阱（DWSLL）中波红外探测器^［47］， 如图7所示。 该探测器在InAs基量子点红外探测器中引入DWELL结构， 可使载流子寿命延长至1.52 ns， 暗电流密度降低3个数量级， 在77 K温度下， 1 V偏压时， 获得了2.03×10^-3 mA/cm2的低暗电流密度； 在2 V偏压时， 器件对6.4 μm波长的响应峰值为10.9 mA/W， 探测率为5.78×108 cm·Hz ^1/2/W。 研究者将这种生长在III-V族衬底Si基DWELL器件与以前的DWELL光电探测器进行了比较， 结果表明， 这种器件在未来的中红外硅光子学和低成本焦平面应用中是非常有前途的。

2019年， Bablich等提出一种用于扩展红外探测的少层MoS2/a-Si： H异质结pin光电二极管^［48］， 如图8所示。 通过等离子体增强化学气相沉积（PE-CVD）技术， 实现了垂直非晶硅（a-Si： H）光电二极管上大规模、 均匀的少层二硫化钼（FL-MoS2）薄膜的合成与转移， 成功将该FL-MoS2薄膜集成至非晶硅（a-Si： H）pin结构光电探测器之中。 MoS2将探测器带宽从光学范围扩展到中红外， 最小可达2 120 nm， 在800 nm以上具有几乎恒定的响应度。 这种新型探测器具有超过6个月的长期稳定性， 并且在红外范围（λ = 2 120 nm）内的灵敏度优于传统的硅基pin光电探测器， 响应度高达50 mAW^-1， 光电探测率可达2×10¹⁰ cm·Hz^1/2/W， 波长为2 120 nm时外量子效率为1.3%， 还具有在不同光谱范围之间切换偏置相关响应度的附加功能。

2020年， Wu 等首次开发了一种基于PdSe2/Si纳米线阵列（SiNWA）异质结构的自驱动、 高偏振灵敏度、 宽带光伏探测器^［49］， 如图9所示。" 由于SiNWA的强光限制效应和PdSe2的宽带光吸收， 该器件表现出显著的光伏行为和优异的性能， 具有726 mAW^-1的高响应度， 探测率为3.19×10 ¹⁴" cm·Hz^1/2/W， 上升时间和下降时间分别为25.1" μs和34" μs， 偏振灵敏度为75， 超宽光谱响应范围为0.2～4.6 μm， 可以以相当高的分辨率记录近红外（NIR）和中红外（MIR）范围内的图像。 基于FDTD计算， 器件的显著性能可以归因于Si纳米结构诱导的强光耦合效应。 这些结果表明， PdSe2/SiNWA混合维异质结器件在高性能偏振灵敏宽带光电探测、 红外成像和湿度传感方面具有巨大的应用潜力。

2021年， Shen 等提出一种在锗衬底上生长的长波红外InAs/GaAs亚单层量子点量子级联探测器， 在77 K零偏压下8.3 μm处响应度为0.56 mA/W， 探测率为1.5×108 cm·Hz^1/2/W， 表明该结构红外器件也可以在硅衬底上实现外延生长^［21］。 基于此器件， 2023年， Guo 等提出一种能在160 K高温下工作的硅基中波红外InGaAs/GaAs亚单层量子点量子级联探测器（SML QD QCDs）^［50］， 如图10所示。 该探测器在Si衬底上成功生长了高质量的GaAs-on-Si缓冲层， 螺纹位错密度降低到3×10⁷ cm^-2。 研究者将该探测器与基于GaAs衬底的相同结构的探测器进行对比， 发现这两种探测器在5.5～7.5 μm的中红外范围内具有几乎相同的光电流响应， 探测率分别为1.55×108 cm·Hz^1/2/W和1.98×108 cm·Hz^1/2/W， 为以后的量子级联探测器研究提供了新思路。

2024年， Ge 等提出一种硅上集成的InAs波导光电探测器^［51］， 如图11所示。 该探测器通过GaAs/Ge缓冲层来缓解InAs和Si之间的晶格失配问题， 使InAs层能够高质量地生长在Si上； 同时， Ge层还可以作为中红外波导， 入射光在Ge-on-Si波导中传播， 能瞬间耦合到InAs波导PD中的吸收层。 通过FDTD模拟得出， 该探测器在3 μm下的响应度为2.77 A/W， 探测率为4.68×109 cm·Hz^1/2/W， 光吸收效率在60%以上。 但是在高反向偏置下工作时， InAs的能带结构会发生畸变， 导致明显的带间暗电流。 该研究为制造高质量的硅上集成InAs或InAs/GaSb Ⅱ型探测器提供了指导。

表3总结了近年来其他材料/硅中波红外光电探测器的性能参数^［47-56］。 可以看出， 文献［49］提出的基于PdSe2/Si纳米线阵列（SiNWA）异质结构的自驱动、 高偏振灵敏度、 宽带光伏探测器的探测率最高， 达到了3.19×10¹⁴ cm·Hz^1/2/W。 这是由于2D PdSe2晶体的高度不对称性， 导致了较强的各向异性特性； 其次， 异质结在零偏压下的低暗电流有利于提高探测率； 最后， 其垂直异质结中的内建垂直电场也有效快速地分离了光生载流子， 减少了电荷输运过程中的载流子复合。 并且通过FDTD得出， Si纳米结构诱导的强光耦合效应也有利于提高这些优异性能。

随着技术的发展， 硅基化合物半导体探测器成为新的研究热点和发展方向， 化合物半导体材料种类的多样性赋予了硅探测器更多的发展可能， 不仅可以扩展探测器的工作波长范围， 还能够提高其响应度和灵敏度。 然而， 将化合物完美地生长在硅衬底上是很重要的问题， 主要原因在于晶格失配导致的缺陷。 为了解决这个难题， 研究人员通常利用GaAs， InP等材料， 在硅上生长一层或多层缓冲层， 以此来减少缺陷， 从而改善器件的性能； 由于工艺较为复杂， 需要对生长环境进行优化， 采用先进的外延生长方法， 严格把控生长过程。

4 总" 结

硅基异质结中波红外光电探测器在近年来的研究中取得了显著的进展， 通过新型的材料选择和结构设计， 实现了重大突破， 具有优秀的灵敏度和响应度。 然而， 这些探测器也有不足。

晶格匹配问题是多种材料集成在硅上共有的缺点， 相比于锗硅之间4.2%的失配率， Ⅲ-Ⅴ族材料与硅之间的失配率更高， 比如InAs， 达到了11.6%， 因此， 在两种材料间生长合适的缓冲层减少缺陷而不影响探测器性能变得尤为关键； 硅基化合物半导体的生长工艺较于锗和石墨烯更加复杂， 在生长过程中， 任何微小的偏差都可能导致材料质量的下降， 需选用最优的生长方法， 严格的生长条件控制是实现高质量材料生长的基础； 为了进一步提高探测器的性能， 可以引入量子阱、 超晶格等结构设计， 优化器件结构， 获得更高的光吸收率和响应速度。

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Research Progress of Silicon-Based Heterojunction

Mid-Wave Infrared Photodetectors

Zeng Yuling， Feng Song*， Ma Baoke， He Xinyi， Wu Jianyang， Li Haojie

（School of Science， Xi’an Polytechnic University， Xi’an 710600， China）

Abstract： Mid-wave infrared photodetector is an important photoelectric detection equipment， which uses the photoelectric effect to convert infrared radiation into electrical signals. It is widely used in guidance， unmanned aerial vehicles， fighter jets and other platforms， and plays an important role in target detection， tracking and identification. Silicon-based heterojunction mid-wave infrared photodetectors are based on silicon materials， combined with mature silicon device technology and infrared detection performance， and have the advantages of low cost， easy preparation and high integration， becoming an opportunity to break through the bottleneck of traditional silicon-based optoelectronic devices. With the continuous progress of research， silicon-based heterojunction mid-wave infrared photodetectors have made great progress in various aspects， bringing new opportunities and challenges to infrared photoelectric detection technology. In this paper， the research and development of new germanium/silicon， graphene/silicon and other silicon-based heterojunction mid-wave infrared photodetectors are discussed， and the advantages of detectors of different materials are analyzed and compared.

Key words： semiconductor devices; optoelectronic devices; detector; mid-wave infrared; silicon-based heterojunction