近日，南京大學(xué)王肖沐教授和王軍轉(zhuǎn)教授聯(lián)合北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)，通過(guò)設(shè)計(jì)遂穿結(jié)光電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，創(chuàng)新地提出基于陡坡效應(yīng)的光電晶體管（steep-slope phototransistors），即通過(guò)降低亞閾值擺幅提升紅外極限弱光探測(cè)探測(cè)能力的方法，突破了常規(guī)只采用比探測(cè)率定義探測(cè)器的探測(cè)極限的標(biāo)準(zhǔn)，并在實(shí)驗(yàn)上取得突破性進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊發(fā)表了題為基于陡坡效應(yīng)光電晶體管的超弱紅外光探測(cè)（Ultra-weak infrared light detection based on steep-slope phototransistors）的研究成果。

研究背景

在現(xiàn)代科技領(lǐng)域，高效靈敏的紅外光檢測(cè)技術(shù)在夜視、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療成像和通信等應(yīng)用中具有關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)紅外探測(cè)器通常采用比探測(cè)率（D*）和等效噪聲功率（NEP）作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，然而在器件工作在非線性面對(duì)極弱光信號(hào)時(shí)，由于器件受到熱擾動(dòng)帶來(lái)的所謂‘Boltzmann tyranny’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?shù)膭?shì)壘（工作原理如圖1所示），嚴(yán)重制約了其在弱光探測(cè)中的應(yīng)用性能。針對(duì)這一技術(shù)瓶頸，該團(tuán)隊(duì)提出創(chuàng)新解決方案，開(kāi)發(fā)出隧穿結(jié)的場(chǎng)效應(yīng)器件結(jié)構(gòu)（TFET）。該器件利用隧穿效應(yīng)實(shí)現(xiàn)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(cè)能力較傳統(tǒng)器件提升30倍以上，取得了突破性進(jìn)展。

圖文介紹

研究團(tuán)隊(duì)采用窄禁帶的黑磷作為探測(cè)器工作物質(zhì)，通過(guò)創(chuàng)新性地分區(qū)柵控構(gòu)造隧穿結(jié)的場(chǎng)效應(yīng)器件結(jié)構(gòu)，如圖2(a)和(b)為研究團(tuán)隊(duì)的器件結(jié)構(gòu)示意圖和原型器件光學(xué)照片，相比于傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（CFET），隨著載流子濃度增加，遂穿結(jié)更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)載流子的抽取和收集，這樣就對(duì)應(yīng)更陡直更小的SS(如圖2c-e所示)。通過(guò)測(cè)量器件變溫輸運(yùn)曲線，分別提取了不同溫度下的SS，證實(shí)了亞閾值區(qū)域TFET帶間遂穿主導(dǎo)的工作模式，大大降低了SS（如圖3a-d所示）。進(jìn)一步研究了亞閾值擺幅(SS)與開(kāi)啟閾值的關(guān)聯(lián)性，得到了探測(cè)閾值光功率基本和SS成正比的關(guān)系（如圖4a-d所示），實(shí)現(xiàn)了超弱紅外光信號(hào)的高效捕獲與轉(zhuǎn)換，80K溫度下，最低探測(cè)功率為35pW。這一突破性進(jìn)展為紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了新途徑，在微弱信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用價(jià)值。

圖1：光電晶體管開(kāi)啟閾值功率的概念與原理。a，光電探測(cè)器閾值功率示意圖。兩個(gè)光電晶體管的最小可探測(cè)功率由其探測(cè)率決定（P1和P2）。另一個(gè)具有優(yōu)化檢測(cè)極限的探測(cè)器展現(xiàn)出更好的閾值功率（P3），盡管其響應(yīng)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(qū)域1）和以上（區(qū)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(jié)構(gòu)；e，光電晶體管溝道的表面電勢(shì)和電荷密度隨入射光功率的變化關(guān)系。

圖2 ：黑磷(BP)光隧穿晶體管。a. 器件結(jié)構(gòu)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(gè)部分頂柵(Vtg1與Vtg2)以及六方氮化硼(hBN)介質(zhì)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(biāo)注器件不同層結(jié)構(gòu)：黃色為底層hBN，白色為頂層hBN，實(shí)線白框標(biāo)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(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)在暗態(tài)(藍(lán)色虛線)與光照(紅色實(shí)線)下的情況。采用帶間隧穿(熱電子)電荷注入機(jī)制時(shí)，器件具有陡峭(平緩)的亞閾值擺幅(SS)并對(duì)弱光產(chǎn)生(無(wú))響應(yīng)。Id表示源漏電流，Ef為費(fèi)米能級(jí)，Ev代表BP溝道價(jià)帶能量。e. 圖(b)器件在室溫下不同工作模式的轉(zhuǎn)移特性曲線。無(wú)頂柵電壓(Vtg)時(shí)表現(xiàn)為雙極型FET(黑色曲線)；當(dāng)Vtg1=6V(Vtg2=-6V)時(shí)，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(zhuǎn)移曲線，虛線三角標(biāo)示SS=60mV/dec的亞閾值斜率作為對(duì)比基準(zhǔn)。

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(tǒng)FET模式(b)下隨溫度變化的轉(zhuǎn)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(guān)系：傳統(tǒng)FET(紅色)的SS隨溫度線性增加，遵循熱電子注入規(guī)律；而隧穿晶體管(黑色)的SS與溫度無(wú)關(guān)，呈現(xiàn)帶間隧穿特性，虛線用于標(biāo)示總體變化趨勢(shì)。d為T(mén)=300K時(shí)根據(jù)轉(zhuǎn)移曲線提取的SS隨源漏電流變化關(guān)系。

圖4 ：亞閾值擺幅(SS)與開(kāi)啟閾值的關(guān)聯(lián)性。a. 通過(guò)光響應(yīng)測(cè)量提取的傳統(tǒng)FET(紅色)與光隧穿晶體管(黑色)響應(yīng)度對(duì)比，顯示光隧穿晶體管具有更優(yōu)的閾值功率但響應(yīng)度較低。b. 實(shí)測(cè)傳統(tǒng)FET(紅色)與光隧穿晶體管(黑色)的閾值功率隨溫度變化關(guān)系，曲線可劃分為兩個(gè)特征區(qū)域，揭示了電荷注入機(jī)制對(duì)閾值功率的決定性作用。c. 不同頂柵電壓(Vtg1)下器件的轉(zhuǎn)移特性曲線，顯示SS隨Vtg1連續(xù)調(diào)控，灰色虛線標(biāo)示SS=60 mV/dec的參考斜率(Vds=0.1V)。d. 對(duì)應(yīng)(c)中配置的實(shí)測(cè)閾值功率與SS的函數(shù)關(guān)系。

結(jié)論與展望

本研究不僅在理論上驗(yàn)證了陡坡光電晶體管在超弱紅外光檢測(cè)中的優(yōu)越性能，還在實(shí)驗(yàn)中展示了探測(cè)閾值功率與陡坡斜率SS的函數(shù)關(guān)系的實(shí)際效果，陡坡越陡，對(duì)應(yīng)的SS越小，弱光探測(cè)的極限功率就越低。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化材料和器件設(shè)計(jì)，理論上當(dāng)SS=5.3 mV/dec時(shí)可以實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)，未來(lái)有望將這一技術(shù)應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域，如軍事偵察、安防監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)和醫(yī)療診斷等。

南京大學(xué)王肖沐教授以及我院王軍轉(zhuǎn)教授為該工作共同通訊作者，南京大學(xué)電子學(xué)院博士生梅家棟為該工作第一作者，西北工業(yè)大學(xué)甘雪濤教授為工作提供了指導(dǎo)。研究得到了基金委杰出青年項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目以及國(guó)家重大研究計(jì)劃的支持。