近日，南京大學(xué)王肖沐教授和王軍轉(zhuǎn)教授，通過設(shè)計遂穿結(jié)光電場效應(yīng)晶體管，創(chuàng)新地提出基于陡坡效應(yīng)的光電晶體管（steep-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(guī)只采用比探測率定義探測器的探測極限的標(biāo)準(zhǔn)，并在實驗上取得突破性進(jìn)展。

在現(xiàn)代科技領(lǐng)域，高效靈敏的紅外光檢測技術(shù)在夜視、環(huán)境監(jiān)測、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(biāo)，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?shù)膭輭荆üぷ髟砣鐖D1所示），嚴(yán)重制約了其在弱光探測中的應(yīng)用性能。針對這一技術(shù)瓶頸，該團(tuán)隊提出創(chuàng)新解決方案，開發(fā)出隧穿結(jié)的場效應(yīng)器件結(jié)構(gòu)（TFET）。該器件利用隧穿效應(yīng)實現(xiàn)小亞閾值擺幅（SS），顯著提升了光生載流子的收集效率，使弱光探測能力較傳統(tǒng)器件提升30倍以上，取得了突破性進(jìn)展。

研究團(tuán)隊采用窄禁帶的黑磷作為探測器工作物質(zhì)，通過創(chuàng)新性地分區(qū)柵控構(gòu)造隧穿結(jié)的場效應(yīng)器件結(jié)構(gòu)，如圖2(a)和(b)為研究團(tuán)隊的器件結(jié)構(gòu)示意圖和原型器件光學(xué)照片，相比于傳統(tǒng)的場效應(yīng)晶體管（CFET），隨著載流子濃度增加，遂穿結(jié)更容易實現(xiàn)對載流子的抽取和收集，這樣就對應(yīng)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(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)與開啟閾值的關(guān)聯(lián)性，得到了探測閾值光功率基本和SS成正比的關(guān)系（如圖4a-d所示），實現(xiàn)了超弱紅外光信號的高效捕獲與轉(zhuǎn)換，80K溫度下，最低探測功率為35pW。這一突破性進(jìn)展為紅外探測技術(shù)的發(fā)展開辟了新途徑，在微弱信號檢測領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)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(yōu)化檢測極限的探測器展現(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)場效應(yīng)晶體管(FET)在暗態(tài)(藍(lán)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(jī)制時，器件具有陡峭(平緩)的亞閾值擺幅(SS)并對弱光產(chǎn)生(無)響應(yīng)。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(zhuǎn)移特性曲線。無頂柵電壓(Vtg)時表現(xiàn)為雙極型FET(黑色曲線)；當(dāng)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(zhuǎn)移曲線，虛線三角標(biāo)示SS=60mV/dec的亞閾值斜率作為對比基準(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與溫度無關(guān)，呈現(xiàn)帶間隧穿特性，虛線用于標(biāo)示總體變化趨勢。d為T=300K時根據(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)與開啟閾值的關(guān)聯(lián)性。a.通過光響應(yīng)測量提取的傳統(tǒng)FET(紅色)與光隧穿晶體管(黑色)響應(yīng)度對比，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.實測傳統(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，曲線可劃分為兩個特征區(qū)域，揭示了電荷注入機(jī)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(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=60mV/dec的參考斜率(Vds=0.1V)。d.對應(yīng)(c)中配置的實測閾值功率與SS的函數(shù)關(guān)系。