近日，合肥工業(yè)大學微電子學院先進半導體器件與光電集成實驗室的王莉副教授和羅林保教授團隊，成功研發(fā)出一種基于單p-型硅肖特基結的超靈敏近紅外窄帶光電探測器。

相關研究成果以“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)表于半導體器件領域的著名雜志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波長敏感，可以有效抑制背景噪聲光的干擾，因此在機器視覺、特定波段成像、光學通信和生物材料識別等領域均具有重要的應用價值。但現(xiàn)有的加裝濾波片、電荷收集變窄或熱電子效應等窄帶探測機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行界面隧穿注入，或者利用場增強激子電離過程來實現(xiàn)器件內的光電倍增效應。但這些機制往往需要幾十伏較高的電壓才能激發(fā)啟動，導致窄帶探測器的性能易退化和工作能耗高。

研究團隊在深入分析了上述問題的基礎上，提出并實現(xiàn)了一種可在低驅動電壓下工作的高靈敏窄帶光電探測器。通過采用雙層結構肖特基電極以及增大光生電子和空穴之間的渡越時間差，在保證高波長選擇性的前提下實現(xiàn)了器件光電轉化效率的大幅提高。

圖2 硅基超窄帶光電探測器的器件結構

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。在零偏壓下器件的比探測率達～4.14×1012 Jones，線性動態(tài)范圍約為128 dB。當工作偏壓由0 V增加到- 3 V時，器件外部量子效率可以從96.2 %顯著提升到6939%，同時探測峰半高寬保持在約74 nm不變。這一成果為實現(xiàn)可在低驅動電壓下工作的超高靈敏窄帶光電探測器提供了新思路，有望在光電子領域得到廣泛應用。

圖3 （a）器件內光強分布模擬結果，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。

這項工作得到國家自然科學基金、安徽省重點研發(fā)計劃、安徽省自然科學基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項等項目的資助支持。

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