中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
為了滿(mǎn)足高端被動(dòng)短波紅外（SWIR）成像的需求，傳感器必須同時(shí)具有高響應度和低噪聲，獲得極高的信噪比/比探測率，以實(shí)現對微弱紅外光的探測（晴朗星光，<10?? W·Sr?1·cm?2·μm?1）。當前主流的外延型短波紅外探測技術(shù)依賴(lài)于單晶的銦鎵砷（InGaAs）PN型光電二極管，由于缺乏本征增益，其比探測率很難達到5×1013 Jones，難以滿(mǎn)足星光探測需求。雪崩光電二極管（APD）雖然在大偏壓下通過(guò)“雪崩”效應產(chǎn)生了光電流的倍增，但在“光電混合”的架構下，由于載流子的隨機電離這類(lèi)器件表現出更大的過(guò)剩噪聲，依然很難實(shí)現靈敏度的大幅度提升。近年來(lái)，基于新型低維材料的光電晶體管不僅與硅基讀出電路工藝兼容，并具有較高的本征增益，但由于其缺陷主導的工作機制、且光傳感和電放大單元直接接觸，面臨增益帶寬積受限、噪聲被放大（雜質(zhì)散射等）的困境。
由北京大學(xué)、北京交通大學(xué)、中國科學(xué)院微電子研究所和華中科技大學(xué)組成的研究團隊開(kāi)發(fā)了一種異質(zhì)結柵場(chǎng)效應晶體管（HGFET，如圖1），利用光電解耦機制，實(shí)現了對信號的超高增益，而基本不放大噪聲，獲得了對短波紅外探測的比探測率達到101? Jones，充分滿(mǎn)足了星光夜視的需求。相關(guān)研究成果以“Opto-Electrical Decoupled Phototransistor for Starlight Detection”為題，發(fā)表在Advanced Materials期刊上。北京大學(xué)電子學(xué)院2021級博士研究生周紹元為第一作者，北京交通大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院王穎副教授和北京大學(xué)電子學(xué)院張志勇教授為通訊作者。
圖1 碳基光電解耦光電晶體管探測架構及其增益噪聲機制
研究團隊采用高純半導體碳納米管網(wǎng)狀薄膜作為半導體溝道構建MOS晶體管，在其柵介質(zhì)上制備硫化鉛量子點(diǎn)/氧化鋅異質(zhì)結光電二極管作為柵極，實(shí)現了光傳感和電放大的物理空間隔離。
該光電晶體管暗電流低，對極弱紅外光（1300 nm，0.46 nW/cm2）具有顯著(zhù)的響應（如圖2），而且具有超高的本征增益和響應度、較低的噪聲和較高的響應速度，在高增益模式下，峰值比探測率超過(guò)101? Jones。
圖2 碳基HGFET器件的超靈敏近紅外光響應特性測試
場(chǎng)效應晶體管（FET）的增益取決于柵極電壓，這將為調整HGFET探測器探測能力提供條件。研究人員通過(guò)在相同測試條件下直接測試短波紅外響應特性，比較了HGFET探測器與商用InGaAs光電二極管的性能。在同等測試條件下，碳基HGFET探測器比商用的InGaAs探測器的比探測率高出兩個(gè)量級，并在增益帶寬積上相對于已有探測器顯示出明顯優(yōu)勢（如圖3和圖4）。
圖3 碳基HGFET器件與商用銦鎵砷器件同條件測試對比
圖4 高性能的碳基HGFET型短波紅外探測器
研究團隊還基于碳基HGFET光電晶體管實(shí)現了64×64像素的板級成像芯片，初步演示了光強低至100 nW/cm2的弱光環(huán)境成像（如圖5）。更為重要的是，碳基HGFET探測陣列可以在硅基IC上利用后道工藝集成，通過(guò)通孔直接與硅基讀出電路鏈接，可以將像素間距縮減到5 μm以下，實(shí)現超高分辨率成像。
圖5 64×64像素HGFET面陣成像演示
綜上所述，這項研究報道了一種光電解耦HGFET短波紅外探測器，實(shí)現了對信號的超高增益，而對于探測微弱的紅外輻射幾乎不放大噪聲。由于HGFET的制造工藝與CMOS讀出集成電路高度兼容，因此HGFET為在薄膜半導體中實(shí)現高端被動(dòng)夜視圖像傳感器提供了通用平臺。這項技術(shù)也為創(chuàng )新型光電電路和未來(lái)具有高分辨率、高靈敏度和低成本的單片集成系統鋪平了道路。
