合工大在超灵敏近红外窄带光电探测器领域取得重要进展
近日，合肥工业大学微电子学院先进半导体器件与光电集成实验室的王莉副教授和罗林保教授团队，成功研发出一种基于单p-型硅肖特基结的超灵敏近红外窄带光电探测器。
相关研究成果以“Ultra-Sensitive Narrow-Band P-Si Schottky Photodetector with Good Wavelength Selectivity and Low Driving Voltage”为题，作为封面文章在线发表于半导体器件领域的著名杂志IEEE Electron Device Letters上。该文章第一作者为Huan-Huan Zuo。
图1 IEEE Electron Device Letters 2024年第一期封面
窄带光电探测器由于仅对目标波长敏感，可以有效抑制背景噪声光的干扰，因此在机器视觉、特定波段成像、光学通信和生物材料识别等领域均具有重要的应用价值。但现有的加装滤波片、电荷收集变窄或热电子效应等窄带探测机制普遍存在着量子效率低的问题。为了提高窄带探测的灵敏度，研究人员通过将电荷陷阱引入有源层进行界面隧穿注入，或者利用场增强激子电离过程来实现器件内的光电倍增效应。但这些机制往往需要几十伏较高的电压才能激发启动，导致窄带探测器的性能易退化和工作能耗高。
研究团队在深入分析了上述问题的基础上，提出并实现了一种可在低驱动电压下工作的高灵敏窄带光电探测器。通过采用双层结构肖特基电极以及增大光生电子和空穴之间的渡越时间差，在保证高波长选择性的前提下实现了器件光电转化效率的大幅提高。
图2 硅基超窄带光电探测器的器件结构
该探测器仅在1050 nm附近有探测峰，对紫外及可见光几乎无响应。在零偏压下器件的比探测率达∼4.14×10¹² Jones，线性动态范围约为128 dB。当工作偏压由0 V增加到- 3 V时，器件外部量子效率可以从96.2 %显著提升到6939%，同时探测峰半高宽保持在约74 nm不变。这一成果为实现可在低驱动电压下工作的超高灵敏窄带光电探测器提供了新思路，有望在光电子领域得到广泛应用。
图3 （a）器件内光强分布模拟结果，零偏压下；（b）器件在不同波长光照下的电流-电压曲线；（c）线性动态范围；（d）不同偏压下器件的外部量子效率随波长变化曲线。
这项工作得到国家自然科学基金、安徽省重点研发计划、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项等项目的资助支持。
论文链接：https://doi.org/10.1109/LED.2023.3331048
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