【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南京大學(xué)王肖沐教授和王軍轉(zhuǎn)教授通過設(shè)計遂穿結(jié)光電場效應(yīng)晶體管，創(chuàng)新地提出基于陡坡效應(yīng)的光電晶體管(steep-slopephototransistors)，即通過降低亞閾值擺幅提升紅外極限弱光探測探測能力的方法，突破了常規(guī)只采用比探測率定義探測器的探測極限的標準，并在實驗上取得突破性進展。
在現(xiàn)代科技領(lǐng)域，高效靈敏的紅外光檢測技術(shù)在夜視、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療成像和通信等應(yīng)用中具有關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)紅外探測器通常采用比探測率(D*)和等效噪聲功率(NEP)作為性能評價指標，然而在器件工作在非線性面對極弱光信號時，由于器件受到熱擾動帶來的所謂‘Boltzmanntyranny’的限制，往往需要先填充器件量子電容，從而降低載流子傳輸?shù)膭輭?工作原理如圖1所示)，嚴重制約了其在弱光探測中的應(yīng)用性能。針對這一技術(shù)瓶頸，該團隊提出創(chuàng)新解決方案，開發(fā)出隧穿結(jié)的場效應(yīng)器件結(jié)構(gòu)(TFET)。該器件利用隧穿效應(yīng)實現(xiàn)小亞閾值擺幅(SS)，顯著提升了光生載流子的收集效率，使弱光探測能力較傳統(tǒng)器件提升30倍以上，取得了突破性進展。
研究團隊采用窄禁帶的黑磷作為探測器工作物質(zhì)，通過創(chuàng)新性地分區(qū)柵控構(gòu)造隧穿結(jié)的場效應(yīng)器件結(jié)構(gòu)，如圖2(a)和(b)為研究團隊的器件結(jié)構(gòu)示意圖和原型器件光學(xué)照片，相比于傳統(tǒng)的場效應(yīng)晶體管(CFET)，隨著載流子濃度增加，遂穿結(jié)更容易實現(xiàn)對載流子的抽取和收集，這樣就對應(yīng)更陡直更小的SS(如圖2c-e所示)。通過測量器件變溫輸運曲線，分別提取了不同溫度下的SS，證實了亞閾值區(qū)域TFET帶間遂穿主導(dǎo)的工作模式，大大降低了SS(如圖3a-d所示)。進一步研究了亞閾值擺幅(SS)與開啟閾值的關(guān)聯(lián)性，得到了探測閾值光功率基本和SS成正比的關(guān)系(如圖4a-d所示)，實現(xiàn)了超弱紅外光信號的高效捕獲與轉(zhuǎn)換，80K溫度下，最低探測功率為35pW。這一突破性進展為紅外探測技術(shù)的發(fā)展開辟了新途徑，在微弱信號檢測領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用價值。
圖1：光電晶體管開啟閾值功率的概念與原理。a，光電探測器閾值功率示意圖。兩個光電晶體管的最小可探測功率由其探測率決定(P1和P2)。另一個具有優(yōu)化檢測極限的探測器展現(xiàn)出更好的閾值功率(P3)，盡管其響應(yīng)度(R)較低。b，光電晶體管閾值功率的起源(由源極(S)、漏極(D)和柵極定義)。c，閾值以下(區(qū)域1)和以上(區(qū)域2)的溝道電荷，箭頭表示光電流方向。d，光(?ν)照射下的光電晶體管結(jié)構(gòu)；e，光電晶體管溝道的表面電勢和電荷密度隨入射光功率的變化關(guān)系。
圖2：黑磷(BP)光隧穿晶體管。a.器件結(jié)構(gòu)示意圖，展示BP溝道、石墨烯接觸電極(源極Vs與漏極Vd)、底柵(Vbg)、兩個部分頂柵(Vtg1與Vtg2)以及六方氮化硼(hBN)介質(zhì)層。b.圖(a)中典型器件的掃描電子顯微鏡(SEM)偽彩照片，彩色虛線標注器件不同層結(jié)構(gòu)：黃色為底層hBN，白色為頂層hBN，實線白框標示底柵電極，比例尺為10微米。c和d分別展示不同光晶體管工作原理的能帶示意圖，具體描繪了光隧穿晶體管與傳統(tǒng)場效應(yīng)晶體管(FET)在暗態(tài)(藍色虛線)與光照(紅色實線)下的情況。采用帶間隧穿(熱電子)電荷注入機制時，器件具有陡峭(平緩)的亞閾值擺幅(SS)并對弱光產(chǎn)生(無)響應(yīng)。Id表示源漏電流，Ef為費米能級，Ev代表BP溝道價帶能量。e.圖(b)器件在室溫下不同工作模式的轉(zhuǎn)移特性曲線。無頂柵電壓(Vtg)時表現(xiàn)為雙極型FET(黑色曲線)；當Vtg1=6V(Vtg2=-6V)時，器件配置為p型(n型)隧穿晶體管(Vds=0.1V)。f和g為隧穿晶體管模式的放大轉(zhuǎn)移曲線，虛線三角標示SS=60mV/dec的亞閾值斜率作為對比基準。
圖3：光隧穿晶體管的帶間隧穿特性。a、b分別為器件在隧穿晶體管模式(a)和傳統(tǒng)FET模式(b)下隨溫度變化的轉(zhuǎn)移特性曲線(Vds=0.1V)。c展示了兩種模式下提取的最低亞閾值擺幅(SS)與溫度的關(guān)系：傳統(tǒng)FET(紅色)的SS隨溫度線性增加，遵循熱電子注入規(guī)律；而隧穿晶體管(黑色)的SS與溫度無關(guān)，呈現(xiàn)帶間隧穿特性，虛線用于標示總體變化趨勢。d為T=300K時根據(jù)轉(zhuǎn)移曲線提取的SS隨源漏電流變化關(guān)系。
圖4：亞閾值擺幅(SS)與開啟閾值的關(guān)聯(lián)性。a.通過光響應(yīng)測量提取的傳統(tǒng)FET(紅色)與光隧穿晶體管(黑色)響應(yīng)度對比，顯示光隧穿晶體管具有更優(yōu)的閾值功率但響應(yīng)度較低。b.實測傳統(tǒng)FET(紅色)與光隧穿晶體管(黑色)的閾值功率隨溫度變化關(guān)系，曲線可劃分為兩個特征區(qū)域，揭示了電荷注入機制對閾值功率的決定性作用。c.不同頂柵電壓(Vtg1)下器件的轉(zhuǎn)移特性曲線，顯示SS隨Vtg1連續(xù)調(diào)控，灰色虛線標示SS=60mV/dec的參考斜率(Vds=0.1V)。d.對應(yīng)(c)中配置的實測閾值功率與SS的函數(shù)關(guān)系。
本研究不僅在理論上驗證了陡坡光電晶體管在超弱紅外光檢測中的優(yōu)越性能，還在實驗中展示了探測閾值功率與陡坡斜率SS的函數(shù)關(guān)系的實際效果，陡坡越陡，對應(yīng)的SS越小，弱光探測的極限功率就越低。通過進一步優(yōu)化材料和器件設(shè)計，理論上當SS=5.3mV/dec時可以實現(xiàn)單光子探測，未來有望將這一技術(shù)應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域，如軍事偵察、安防監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療診斷等。該成果以題為"基于陡坡效應(yīng)光電晶體管的超弱紅外光探測"(Ultra-weakinfraredlightdetectionbasedonsteep-slopephototransistors)發(fā)表在《自然·通訊》(NatureCommunications)期刊。
南京大學(xué)王肖沐教授和王軍轉(zhuǎn)教授為該工作共同通訊作者，南京大學(xué)電子學(xué)院博士生梅家棟為該工作第一作者，西北工業(yè)大學(xué)甘雪濤教授為工作提供了指導(dǎo)。研究得到了基金委杰出青年項目、重點項目以及國家重大研究計劃的支持。
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