中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，合肥工業(yè)大學(xué)微電子學(xué)院先進(jìn)半導體器件與光電集成實(shí)驗室的王莉副教授和羅林保教授團隊，成功研發(fā)出一種基于單p-型硅肖特基結的超靈敏近紅外窄帶光電探測器。
相關(guān)研究成果以“Ultra-Sensitive Narrow-Band P-Si Schottky Photodetector with Good Wavelength Selectivity and Low Driving Voltage”為題，作為封面文章在線(xiàn)發(fā)表于半導體器件領(lǐng)域的著(zhù)名雜志IEEE Electron Device Letters上。該文章第一作者為Huan-Huan Zuo。
圖1 IEEE Electron Device Letters 2024年第一期封面
窄帶光電探測器由于僅對目標波長(cháng)敏感，可以有效抑制背景噪聲光的干擾，因此在機器視覺(jué)、特定波段成像、光學(xué)通信和生物材料識別等領(lǐng)域均具有重要的應用價(jià)值。但現有的加裝濾波片、電荷收集變窄或熱電子效應等窄帶探測機制普遍存在著(zhù)量子效率低的問(wèn)題。為了提高窄帶探測的靈敏度，研究人員通過(guò)將電荷陷阱引入有源層進(jìn)行界面隧穿注入，或者利用場(chǎng)增強激子電離過(guò)程來(lái)實(shí)現器件內的光電倍增效應。但這些機制往往需要幾十伏較高的電壓才能激發(fā)啟動(dòng)，導致窄帶探測器的性能易退化和工作能耗高。
研究團隊在深入分析了上述問(wèn)題的基礎上，提出并實(shí)現了一種可在低驅動(dòng)電壓下工作的高靈敏窄帶光電探測器。通過(guò)采用雙層結構肖特基電極以及增大光生電子和空穴之間的渡越時(shí)間差，在保證高波長(cháng)選擇性的前提下實(shí)現了器件光電轉化效率的大幅提高。
圖2 硅基超窄帶光電探測器的器件結構
該探測器僅在1050 nm附近有探測峰，對紫外及可見(jiàn)光幾乎無(wú)響應。在零偏壓下器件的比探測率達～4.14×1012 Jones，線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍約為128 dB。當工作偏壓由0 V增加到- 3 V時(shí)，器件外部量子效率可以從96.2 %顯著(zhù)提升到6939%，同時(shí)探測峰半高寬保持在約74 nm不變。這一成果為實(shí)現可在低驅動(dòng)電壓下工作的超高靈敏窄帶光電探測器提供了新思路，有望在光電子領(lǐng)域得到廣泛應用。
圖3 （a）器件內光強分布模擬結果，零偏壓下；（b）器件在不同波長(cháng)光照下的電流-電壓曲線(xiàn)；（c）線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍；（d）不同偏壓下器件的外部量子效率隨波長(cháng)變化曲線(xiàn)。
這項工作得到國家自然科學(xué)基金、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計劃、安徽省自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專(zhuān)項等項目的資助支持。
