《电子技术应用》

用于高性能红外探测的光伏场效应晶体管

2017/2/14 5:00:00

红外探测技术在夜视、健康监测、光通信和三维物体识别等领域具有很高的应用价值。理想的红外探测器必须具有快速响应、高响应率和低功耗等特点。而硅的带隙约 1.1 eV,无法吸收波长大于 ~1100 nm 的光子,因此不能直接用于红外波段的光探测。基于这个原因,众多研究人员努力探索一种结合最新的红外传感技术,实现与硅集成的红外探测功能。

【成果简介】

美国多伦多大学电子与计算工程系的Edward H. Sargent(通讯作者)等人制备了一种用硅实现电荷输运的光伏场效应晶体管,由于加入了量子点光吸收体,该晶体管可以实现对红外光的响应。器件工作时,光伏效应产生于硅和量子点的界面处,结合硅的高跨导特性,可以使器件具有高增益(1500 nm波长处,>104 电子/光子)、快时间响应(小于10微秒)、可调的宽光谱响应性等优良特性。相比之前报道的硅基红外探测器,本工作中制备的光伏场效应晶体管在1500 nm 波长处灵敏度提高了5个数量级。更重要的是,他们所用的量子点是采用室温溶液法制备的,无需传统半导体(锗和III-V族半导体等)所需的高温外延生长过程。因此,胶体量子点可被用于硅基红外探测器件,与现有的外延半导体器件相比具有独特优势。

【图文简介】

图1 PVFET 的结构和物理原理  

a Si:CQD PVFET的三维模型;

b 器件工作时的电路示意图;

c 1300nm波长光激励下,器件的计算机辅助技术(TCAD)模拟发现光生载流子仅在CQD光栅处产生;

d 1300nm波长光激励下,器件的计算机辅助技术(TCAD)模拟研究了黑暗处的空穴密度。光信号产生光伏,导致硅沟道的耗尽区收缩,进而使空穴密度和沟道电导增加;

e 平衡状态下的能带示意图;

f 不同情况下的空穴密度研究。

图2 PVFET 的数值结算和理论分析

a 不同器件的增益-暗电流模型;

b 不同旗舰的增益-频率曲线;

c PVFET、光电导元件和光-FET的增益-频率关系模型。

图3 PVFET的表征  

a Si:CQD PVFET的光谱增益;

b 入射光功率的响应函数;

c 器件工作时的响应率。

图4 Si:CQD PVFET的响应时间  

a 上升和下落边缘表明很快和很慢的组分;

b 上升和下落边缘的快组分的闭合;

c PVFET在100-kHz调制信号下的响应。

【小结】

这种Si:CQD PVFET具有高增益、宽谱响应(包含红外波段)、高响应速度和包含暗电流等优点。其性能可以通过先进的硅工艺进一步提升。该工作亮点在于,将成熟的硅电子工艺和CQDs的突出优势相结合,发明出两者兼有并互补的新型器件结构。该工作对于理解基于光伏效应和跨导增益的探测机制有很大的杠杆促进作用。

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