中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
為了滿足高端被動(dòng)短波紅外（SWIR）成像的需求，傳感器必須同時(shí)具有高響應(yīng)度和低噪聲，獲得極高的信噪比/比探測(cè)率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱紅外光的探測(cè)（晴朗星光，<10?? W·Sr?1·cm?2·μm?1）。當(dāng)前主流的外延型短波紅外探測(cè)技術(shù)依賴于單晶的銦鎵砷（InGaAs）PN型光電二極管，由于缺乏本征增益，其比探測(cè)率很難達(dá)到5×1013 Jones，難以滿足星光探測(cè)需求。雪崩光電二極管（APD）雖然在大偏壓下通過“雪崩”效應(yīng)產(chǎn)生了光電流的倍增，但在“光電混合”的架構(gòu)下，由于載流子的隨機(jī)電離這類器件表現(xiàn)出更大的過剩噪聲，依然很難實(shí)現(xiàn)靈敏度的大幅度提升。近年來，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(dǎo)的工作機(jī)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(guó)科學(xué)院微電子研究所和華中科技大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種異質(zhì)結(jié)柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（HGFET，如圖1），利用光電解耦機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的超高增益，而基本不放大噪聲，獲得了對(duì)短波紅外探測(cè)的比探測(cè)率達(dá)到101? Jones，充分滿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(jí)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(cè)架構(gòu)及其增益噪聲機(jī)制
研究團(tuán)隊(duì)采用高純半導(dǎo)體碳納米管網(wǎng)狀薄膜作為半導(dǎo)體溝道構(gòu)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(jié)光電二極管作為柵極，實(shí)現(xiàn)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(duì)極弱紅外光（1300 nm，0.46 nW/cm2）具有顯著的響應(yīng)（如圖2），而且具有超高的本征增益和響應(yīng)度、較低的噪聲和較高的響應(yīng)速度，在高增益模式下，峰值比探測(cè)率超過101? Jones。
圖2 碳基HGFET器件的超靈敏近紅外光響應(yīng)特性測(cè)試
場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的增益取決于柵極電壓，這將為調(diào)整HGFET探測(cè)器探測(cè)能力提供條件。研究人員通過在相同測(cè)試條件下直接測(cè)試短波紅外響應(yīng)特性，比較了HGFET探測(cè)器與商用InGaAs光電二極管的性能。在同等測(cè)試條件下，碳基HGFET探測(cè)器比商用的InGaAs探測(cè)器的比探測(cè)率高出兩個(gè)量級(jí)，并在增益帶寬積上相對(duì)于已有探測(cè)器顯示出明顯優(yōu)勢(shì)（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(cè)試對(duì)比
圖4 高性能的碳基HGFET型短波紅外探測(cè)器
研究團(tuán)隊(duì)還基于碳基HGFET光電晶體管實(shí)現(xiàn)了64×64像素的板級(jí)成像芯片，初步演示了光強(qiáng)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(cè)陣列可以在硅基IC上利用后道工藝集成，通過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(xiàn)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(xiàng)研究報(bào)道了一種光電解耦HGFET短波紅外探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的超高增益，而對(duì)于探測(cè)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(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)高端被動(dòng)夜視圖像傳感器提供了通用平臺(tái)。這項(xiàng)技術(shù)也為創(chuàng)新型光電電路和未來具有高分辨率、高靈敏度和低成本的單片集成系統(tǒng)鋪平了道路。
