用于高性能紅外探測的光伏場效應(yīng)晶體管

紅外探測技術(shù)在夜視、健康監(jiān)測、光通信和三維物體識別等領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價值。理想的紅外探測器必須具有快速響應(yīng)、高響應(yīng)率和低功耗等特點。而硅的帶隙約 1．1 eV，無法吸收波長大于 ～1100 nm 的光子，因此不能直接用于紅外波段的光探測?；谶@個原因，眾多研究人員努力探索一種結(jié)合最新的紅外傳感技術(shù)，實現(xiàn)與硅集成的紅外探測功能。

【成果簡介】

美國多倫多大學(xué)電子與計算工程系的Edward H． Sargent（通訊作者）等人制備了一種用硅實現(xiàn)電荷輸運的光伏場效應(yīng)晶體管，由于加入了量子點光吸收體，該晶體管可以實現(xiàn)對紅外光的響應(yīng)。器件工作時，光伏效應(yīng)產(chǎn)生于硅和量子點的界面處，結(jié)合硅的高跨導(dǎo)特性，可以使器件具有高增益（1500 nm波長處，＞104 電子／光子）、快時間響應(yīng)（小于10微秒）、可調(diào)的寬光譜響應(yīng)性等優(yōu)良特性。相比之前報道的硅基紅外探測器，本工作中制備的光伏場效應(yīng)晶體管在1500 nm 波長處靈敏度提高了5個數(shù)量級。更重要的是，他們所用的量子點是采用室溫溶液法制備的，無需傳統(tǒng)半導(dǎo)體（鍺和III－V族半導(dǎo)體等）所需的高溫外延生長過程。因此，膠體量子點可被用于硅基紅外探測器件，與現(xiàn)有的外延半導(dǎo)體器件相比具有獨特優(yōu)勢。

【圖文簡介】

圖1 PVFET 的結(jié)構(gòu)和物理原理　　

a SiCQD PVFET的三維模型；

b 器件工作時的電路示意圖；

c 1300nm波長光激勵下，器件的計算機輔助技術(shù)（TCAD）模擬發(fā)現(xiàn)光生載流子僅在CQD光柵處產(chǎn)生；

d 1300nm波長光激勵下，器件的計算機輔助技術(shù)（TCAD）模擬研究了黑暗處的空穴密度。光信號產(chǎn)生光伏，導(dǎo)致硅溝道的耗盡區(qū)收縮，進而使空穴密度和溝道電導(dǎo)增加；

e 平衡狀態(tài)下的能帶示意圖；

f 不同情況下的空穴密度研究。

圖2 PVFET 的數(shù)值結(jié)算和理論分析

a 不同器件的增益－暗電流模型；

b 不同旗艦的增益－頻率曲線；

c PVFET、光電導(dǎo)元件和光－FET的增益－頻率關(guān)系模型。

圖3 PVFET的表征　　

a SiCQD PVFET的光譜增益；

b 入射光功率的響應(yīng)函數(shù)；

c 器件工作時的響應(yīng)率。

圖4 SiCQD PVFET的響應(yīng)時間　　

a 上升和下落邊緣表明很快和很慢的組分；

b 上升和下落邊緣的快組分的閉合；

c PVFET在100－kHz調(diào)制信號下的響應(yīng)。

【小結(jié)】

這種SiCQD PVFET具有高增益、寬譜響應(yīng)（包含紅外波段）、高響應(yīng)速度和包含暗電流等優(yōu)點。其性能可以通過先進的硅工藝進一步提升。該工作亮點在于，將成熟的硅電子工藝和CQDs的突出優(yōu)勢相結(jié)合，發(fā)明出兩者兼有并互補的新型器件結(jié)構(gòu)。該工作對于理解基于光伏效應(yīng)和跨導(dǎo)增益的探測機制有很大的杠桿促進作用。