近日，合肥工業(yè)大學(xué)微電子學(xué)院先進(jìn)半導(dǎo)體器件與光電集成實(shí)驗(yàn)室的王莉副教授和羅林保教授團(tuán)隊(duì)，成功研發(fā)出一種基于單p-型硅肖特基結(jié)的超靈敏近紅外窄帶光電探測器。

相關(guān)研究成果以“Ultra-Sensitive Narrow-Band P-Si Schottky Photodetector with Good Wavelength Selectivity and Low Driving Voltage”為題，作為封面文章在線發(fā)表于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的著名雜志IEEE Electron Device Letters上。該文章第一作者為Huan-Huan Zuo。

圖1 IEEE Electron Device Letters 2024年第一期封面

窄帶光電探測器由于僅對目標(biāo)波長敏感，可以有效抑制背景噪聲光的干擾，因此在機(jī)器視覺、特定波段成像、光學(xué)通信和生物材料識別等領(lǐng)域均具有重要的應(yīng)用價(jià)值。但現(xiàn)有的加裝濾波片、電荷收集變窄或熱電子效應(yīng)等窄帶探測機(jī)制普遍存在著量子效率低的問題。為了提高窄帶探測的靈敏度，研究人員通過將電荷陷阱引入有源層進(jìn)行界面隧穿注入，或者利用場增強(qiáng)激子電離過程來實(shí)現(xiàn)器件內(nèi)的光電倍增效應(yīng)。但這些機(jī)制往往需要幾十伏較高的電壓才能激發(fā)啟動(dòng)，導(dǎo)致窄帶探測器的性能易退化和工作能耗高。

研究團(tuán)隊(duì)在深入分析了上述問題的基礎(chǔ)上，提出并實(shí)現(xiàn)了一種可在低驅(qū)動(dòng)電壓下工作的高靈敏窄帶光電探測器。通過采用雙層結(jié)構(gòu)肖特基電極以及增大光生電子和空穴之間的渡越時(shí)間差，在保證高波長選擇性的前提下實(shí)現(xiàn)了器件光電轉(zhuǎn)化效率的大幅提高。

圖2 硅基超窄帶光電探測器的器件結(jié)構(gòu)

該探測器僅在1050 nm附近有探測峰，對紫外及可見光幾乎無響應(yīng)。在零偏壓下器件的比探測率達(dá)～4.14×1012 Jones，線性動(dòng)態(tài)范圍約為128 dB。當(dāng)工作偏壓由0 V增加到- 3 V時(shí)，器件外部量子效率可以從96.2 %顯著提升到6939%，同時(shí)探測峰半高寬保持在約74 nm不變。這一成果為實(shí)現(xiàn)可在低驅(qū)動(dòng)電壓下工作的超高靈敏窄帶光電探測器提供了新思路，有望在光電子領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

圖3 （a）器件內(nèi)光強(qiáng)分布模擬結(jié)果，零偏壓下；（b）器件在不同波長光照下的電流-電壓曲線；（c）線性動(dòng)態(tài)范圍；（d）不同偏壓下器件的外部量子效率隨波長變化曲線。

這項(xiàng)工作得到國家自然科學(xué)基金、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1109/LED.2023.3331048