紅外探測(cè)技術(shù)在夜視、健康監(jiān)測(cè),、光通信和三維物體識(shí)別等領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值,。理想的紅外探測(cè)器必須具有快速響應(yīng)、高響應(yīng)率和低功耗等特點(diǎn),。而硅的帶隙約 1.1 eV,無(wú)法吸收波長(zhǎng)大于 ~1100 nm 的光子,因此不能直接用于紅外波段的光探測(cè),。基于這個(gè)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(shí)現(xiàn)與硅集成的紅外探測(cè)功能。
【成果簡(jiǎn)介】
美國(guó)多倫多大學(xué)電子與計(jì)算工程系的Edward H. Sargent(通訊作者)等人制備了一種用硅實(shí)現(xiàn)電荷輸運(yùn)的光伏場(chǎng)效應(yīng)晶體管,由于加入了量子點(diǎn)光吸收體,,該晶體管可以實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外光的響應(yīng),。器件工作時(shí),光伏效應(yīng)產(chǎn)生于硅和量子點(diǎn)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(zhǎng)處,>104 電子/光子),、快時(shí)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(bào)道的硅基紅外探測(cè)器,,本工作中制備的光伏場(chǎng)效應(yīng)晶體管在1500 nm 波長(zhǎng)處?kù)`敏度提高了5個(gè)數(shù)量級(jí),。更重要的是,他們所用的量子點(diǎn)是采用室溫溶液法制備的,,無(wú)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(zhǎng)過(guò)程,。因此,膠體量子點(diǎn)可被用于硅基紅外探測(cè)器件,,與現(xiàn)有的外延半導(dǎo)體器件相比具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),。
【圖文簡(jiǎn)介】
圖1 PVFET 的結(jié)構(gòu)和物理原理
a Si:CQD PVFET的三維模型;
b 器件工作時(shí)的電路示意圖,;
c 1300nm波長(zhǎng)光激勵(lì)下,,器件的計(jì)算機(jī)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(zhǎng)光激勵(lì)下,,器件的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)(TCAD)模擬研究了黑暗處的空穴密度,。光信號(hào)產(chǎn)生光伏,導(dǎo)致硅溝道的耗盡區(qū)收縮,,進(jìn)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 Si:CQD 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(shí)的響應(yīng)率,。
圖4 Si:CQD PVFET的響應(yīng)時(shí)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(hào)下的響應(yīng),。
【小結(jié)】
這種Si:CQD 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(diǎn),。其性能可以通過(guò)先進(jìn)的硅工藝進(jìn)一步提升,。該工作亮點(diǎn)在于,將成熟的硅電子工藝和CQDs的突出優(yōu)勢(shì)相結(jié)合,,發(fā)明出兩者兼有并互補(bǔ)的新型器件結(jié)構(gòu),。該工作對(duì)于理解基于光伏效應(yīng)和跨導(dǎo)增益的探測(cè)機(jī)制有很大的杠桿促進(jìn)作用。