Nature：用于高性能紅外探測的光伏場效應晶體管

【引言】

紅外探測技術在夜視、健康監測、光通信和三維物體識別等領域具有很高的應用價值。理想的紅外探測器必須具有快速響應、高響應率和低功耗等特點。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。基于這個原因，眾多研究人員努力探索一種結合最新的紅外傳感技術，實現與硅集成的紅外探測功能。

【成果簡介】

加拿大多倫多大學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電荷輸運的光伏場效應晶體管，由于加入了量子點光吸收體，該晶體管可以實現對紅外光的響應。器件工作時，光伏效應產生于硅和量子點的界面處，結合硅的高跨導特性，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（小于10微秒）、可調的寬光譜響應性等優良特性。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晶體管在1500 nm 波長處靈敏度提高了5個數量級。更重要的是，他們所用的量子點是采用室溫溶液法制備的，無需傳統半導體（鍺和III-V族半導體等）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，與現有的外延半導體器件相比具有獨特優勢。

【圖文簡介】

圖1 PVFET 的結構和物理原理

a Si:CQD 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（TCAD）模擬發現光生載流子僅在CQD光柵處產生；

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

e 平衡狀態下的能帶示意圖；

f 不同情況下的空穴密度研究。

圖2 PVFET 的數值結算和理論分析

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、光電導元件和光-FET的增益-頻率關系模型。

圖3 PVFET的表征

a Si:CQD PVFET的光譜增益；

b 入射光功率的響應函數；

c 器件工作時的響應率。

圖4 Si:CQD PVFET的響應時間

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調制信號下的響應。

?【小結】

這種Si:CQD PVFET具有高增益、寬譜響應（包含紅外波段）、高響應速度和包含暗電流等優點。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的突出優勢相結合，發明出兩者兼有并互補的新型器件結構。該工作對于理解基于光伏效應和跨導增益的探測機制有很大的杠桿促進作用。

文獻鏈接：Photovoltage field-effect transistors（Nature，2017，doi:10.1038/nature21050）

本文由材料人電子電工學術組靈寸供稿，材料牛整理編輯。

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