【儀表網 研發快訊】近日，南京大學王肖沐教授和王軍轉教授通過設計遂穿結光電場效應晶體管，創新地提出基于陡坡效應的光電晶體管(steep-slopephototransistors)，即通過降低亞閾值擺幅提升紅外極限弱光探測探測能力的方法，突破了常規只采用比探測率定義探測器的探測極限的標準，并在實驗上取得突破性進展。
 

　　在現代科技領域，高效靈敏的紅外光檢測技術在夜視、環境監測、醫療成像和通信等應用中具有關鍵作用。傳統紅外探測器通常采用比探測率(D*)和等效噪聲功率(NEP)作為性能評價指標，然而在器件工作在非線性面對極弱光信號時，由于器件受到熱擾動帶來的所謂‘Boltzmanntyranny’的限制，往往需要先填充器件量子電容，從而降低載流子傳輸的勢壘(工作原理如圖1所示)，嚴重制約了其在弱光探測中的應用性能。針對這一技術瓶頸，該團隊提出創新解決方案，開發出隧穿結的場效應器件結構(TFET)。該器件利用隧穿效應實現小亞閾值擺幅(SS)，顯著提升了光生載流子的收集效率，使弱光探測能力較傳統器件提升30倍以上，取得了突破性進展。
 

　　研究團隊采用窄禁帶的黑磷作為探測器工作物質，通過創新性地分區柵控構造隧穿結的場效應器件結構，如圖2(a)和(b)為研究團隊的器件結構示意圖和原型器件光學照片，相比于傳統的場效應晶體管(CFET)，隨著載流子濃度增加，遂穿結更容易實現對載流子的抽取和收集，這樣就對應更陡直更小的SS(如圖2c-e所示)。通過測量器件變溫輸運曲線，分別提取了不同溫度下的SS，證實了亞閾值區域TFET帶間遂穿主導的工作模式，大大降低了SS(如圖3a-d所示)。進一步研究了亞閾值擺幅(SS)與開啟閾值的關聯性，得到了探測閾值光功率基本和SS成正比的關系(如圖4a-d所示)，實現了超弱紅外光信號的高效捕獲與轉換，80K溫度下，最低探測功率為35pW。這一突破性進展為紅外探測技術的發展開辟了新途徑，在微弱信號檢測領域展現出重要應用價值。
 

　　圖1：光電晶體管開啟閾值功率的概念與原理。a，光電探測器閾值功率示意圖。兩個光電晶體管的最小可探測功率由其探測率決定(P1和P2)。另一個具有優化檢測極限的探測器展現出更好的閾值功率(P3)，盡管其響應度(R)較低。b，光電晶體管閾值功率的起源(由源極(S)、漏極(D)和柵極定義)。c，閾值以下(區域1)和以上(區域2)的溝道電荷，箭頭表示光電流方向。d，光(?ν)照射下的光電晶體管結構；e，光電晶體管溝道的表面電勢和電荷密度隨入射光功率的變化關系。

 

　　圖2：黑磷(BP)光隧穿晶體管。a.器件結構示意圖，展示BP溝道、石墨烯接觸電極(源極Vs與漏極Vd)、底柵(Vbg)、兩個部分頂柵(Vtg1與Vtg2)以及六方氮化硼(hBN)介質層。b.圖(a)中典型器件的掃描電子顯微鏡(SEM)偽彩照片，彩色虛線標注器件不同層結構：黃色為底層hBN，白色為頂層hBN，實線白框標示底柵電極，比例尺為10微米。c和d分別展示不同光晶體管工作原理的能帶示意圖，具體描繪了光隧穿晶體管與傳統場效應晶體管(FET)在暗態(藍色虛線)與光照(紅色實線)下的情況。采用帶間隧穿(熱電子)電荷注入機制時，器件具有陡峭(平緩)的亞閾值擺幅(SS)并對弱光產生(無)響應。Id表示源漏電流，Ef為費米能級，Ev代表BP溝道價帶能量。e.圖(b)器件在室溫下不同工作模式的轉移特性曲線。無頂柵電壓(Vtg)時表現為雙極型FET(黑色曲線)；當Vtg1=6V(Vtg2=-6V)時，器件配置為p型(n型)隧穿晶體管(Vds=0.1V)。f和g為隧穿晶體管模式的放大轉移曲線，虛線三角標示SS=60mV/dec的亞閾值斜率作為對比基準。
 

　　圖3：光隧穿晶體管的帶間隧穿特性。a、b分別為器件在隧穿晶體管模式(a)和傳統FET模式(b)下隨溫度變化的轉移特性曲線(Vds=0.1V)。c展示了兩種模式下提取的最低亞閾值擺幅(SS)與溫度的關系：傳統FET(紅色)的SS隨溫度線性增加，遵循熱電子注入規律；而隧穿晶體管(黑色)的SS與溫度無關，呈現帶間隧穿特性，虛線用于標示總體變化趨勢。d為T=300K時根據轉移曲線提取的SS隨源漏電流變化關系。
 

　　圖4：亞閾值擺幅(SS)與開啟閾值的關聯性。a.通過光響應測量提取的傳統FET(紅色)與光隧穿晶體管(黑色)響應度對比，顯示光隧穿晶體管具有更優的閾值功率但響應度較低。b.實測傳統FET(紅色)與光隧穿晶體管(黑色)的閾值功率隨溫度變化關系，曲線可劃分為兩個特征區域，揭示了電荷注入機制對閾值功率的決定性作用。c.不同頂柵電壓(Vtg1)下器件的轉移特性曲線，顯示SS隨Vtg1連續調控，灰色虛線標示SS=60mV/dec的參考斜率(Vds=0.1V)。d.對應(c)中配置的實測閾值功率與SS的函數關系。
 

　　本研究不僅在理論上驗證了陡坡光電晶體管在超弱紅外光檢測中的優越性能，還在實驗中展示了探測閾值功率與陡坡斜率SS的函數關系的實際效果，陡坡越陡，對應的SS越小，弱光探測的極限功率就越低。通過進一步優化材料和器件設計，理論上當SS=5.3mV/dec時可以實現單光子探測，未來有望將這一技術應用于更廣泛的領域，如軍事偵察、安防監控、環境監測和醫療診斷等。該成果以題為"基于陡坡效應光電晶體管的超弱紅外光探測"(Ultra-weakinfraredlightdetectionbasedonsteep-slopephototransistors)發表在《自然·通訊》(NatureCommunications)期刊。
 

　　南京大學王肖沐教授和王軍轉教授為該工作共同通訊作者，南京大學電子學院博士生梅家棟為該工作第一作者，西北工業大學甘雪濤教授為工作提供了指導。研究得到了基金委杰出青年項目、重點項目以及國家重大研究計劃的支持。