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【成果簡介】

美國多倫多大學(xué)電子與計(jì)算工程系的Edward H. Sargent(通訊作者)等人制備了一種用硅實(shí)現(xiàn)電荷輸運(yùn)的光伏場效應(yīng)晶體管，由于加入了量子點(diǎn)光吸收體，該晶體管可以實(shí)現(xiàn)對紅外光的響應(yīng)。器件工作時(shí)，光伏效應(yīng)產(chǎn)生于硅和量子點(diǎn)的界面處，結(jié)合硅的高跨導(dǎo)特性，可以使器件具有高增益(1500 nm波長處，>104 電子/光子)、快時(shí)間響應(yīng)(小于10微秒)、可調(diào)的寬光譜響應(yīng)性等優(yōu)良特性。相比之前報(bào)道的硅基紅外探測器，本工作中制備的光伏場效應(yīng)晶體管在1500 nm 波長處靈敏度提高了5個(gè)數(shù)量級。更重要的是，他們所用的量子點(diǎn)是采用室溫溶液法制備的，無需傳統(tǒng)半導(dǎo)體(鍺和III-V族半導(dǎo)體等)所需的高溫外延生長過程。因此，膠體量子點(diǎn)可被用于硅基紅外探測器件，與現(xiàn)有的外延半導(dǎo)體器件相比具有獨(dú)特優(yōu)勢。

【圖文簡介】

圖1 PVFET 的結(jié)構(gòu)和物理原理
a Si：CQD PVFET的三維模型;

b 器件工作時(shí)的電路示意圖;

c 1300nm波長光激勵(lì)下，器件的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)(TCAD)模擬發(fā)現(xiàn)光生載流子僅在CQD光柵處產(chǎn)生;

d 1300nm波長光激勵(lì)下，器件的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)(TCAD)模擬研究了黑暗處的空穴密度。光信號產(chǎn)生光伏，導(dǎo)致硅溝道的耗盡區(qū)收縮，進(jìn)而使空穴密度和溝道電導(dǎo)增加;

e 平衡狀態(tài)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(shù)值結(jié)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(dǎo)元件和光-FET的增益-頻率關(guān)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(yīng)函數(shù);

c 器件工作時(shí)的響應(yīng)率。

圖4 Si：CQD PVFET的響應(yīng)時(shí)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(diào)制信號下的響應(yīng)。

【小結(jié)】

這種Si：CQD PVFET具有高增益、寬譜響應(yīng)(包含紅外波段)、高響應(yīng)速度和包含暗電流等優(yōu)點(diǎn)。其性能可以通過先進(jìn)的硅工藝進(jìn)一步提升。該工作亮點(diǎn)在于，將成熟的硅電子工藝和CQDs的突出優(yōu)勢相結(jié)合，發(fā)明出兩者兼有并互補(bǔ)的新型器件結(jié)構(gòu)。該工作對于理解基于光伏效應(yīng)和跨導(dǎo)增益的探測機(jī)制有很大的杠桿促進(jìn)作用。

原標(biāo)題：用于高性能紅外探測的光伏場效應(yīng)晶體管