半導體是信息時代的基石,集成電路是電子信息系統(tǒng)的“脖子”,而硅片是占比最大的集成電路耗材,因此硅基技術(shù)的源頭和底層創(chuàng)新事關(guān)集成電路發(fā)展和產(chǎn)業(yè)安全。硅因禁帶寬度的物理限制,使其無法有效探測到1100 nm以上的紅外光波,而探測波段決定探測能力,不同波段反應(yīng)不同信息,因此將硅基器件探測范圍從可見光拓展至紅外波段,實現(xiàn)寬光譜探測,具有十分重要的意義,也是科研工作者面臨的極限挑戰(zhàn)之一。
針對硅基寬光譜探測器中界面光壓構(gòu)筑、隧穿機制構(gòu)建和納米諧振構(gòu)造等關(guān)鍵科學問題,中科院上海微系統(tǒng)所鄭理副研究員團隊取得系列進展,相關(guān)成果相繼發(fā)表在Nature Communications、IEEE Transactions on Electron Devices和IEEE Electron Device Letters等期刊上。
硅與紅外敏感材料界面能帶工程是實現(xiàn)硅基高性能寬光譜探測器的前提。利用硅和量子點天然的能帶偏移特征,設(shè)計了一種無需界面能帶調(diào)控的光壓三極管(PVTRI)結(jié)構(gòu),該器件不僅兼具高響應(yīng)度和高探測率特征,還具有可辨識的紅外與可見光響應(yīng)時間,從而賦予了該器件自調(diào)諧功能,而且其響應(yīng)時間及光電流方向亦可通過偏壓進行調(diào)控。該研究為硅基寬光譜探測芯片提供了新的思路(Nature Communications,DOI:10.1038/s41467-021-27050-9,論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-27050-9)。
圖1 硅基寬光譜光壓三極管
通過構(gòu)建硅/高κ絕緣層/三維石墨烯隧穿光電探測器,利用高κ絕緣層引入隧穿機制、控制光激發(fā)載流子的傳輸,并有效鈍化界面且產(chǎn)生額外光壓,實現(xiàn)了快速傳輸且顯著提升器件光響應(yīng)。該研究工作對開發(fā)下一代高性能、低成本的硅基寬光譜光電器件提供了科學依據(jù)(IEEE Electron Device Letters,DOI:10.1109/LED.2022.320347,論文鏈接: https://ieeexplore.ieee.org/document/9874875)。
圖2 硅基寬光譜隧穿探測器
光吸收增強是決定硅基光電器件性能的關(guān)鍵要素之一。通過將硅基光學反射腔(BOX層)和具有天然等離子激元納米諧振腔的三維石墨烯結(jié)合制備寬光電探測器,實現(xiàn)了光吸收的“雙增強效應(yīng)”,顯著提高了器件的探測率和響應(yīng)度。該研究工作將為新型硅基光電探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和多模式探測提供參考價值(IEEE Transactions on Electron Devices,DOI:10.1109/TED.2022.3168528,論文鏈接:https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9766051)。
圖3 硅基寬光譜納米諧振探測器
該系列研究工作分別和上??萍即髮W物質(zhì)學院寧志軍副教授團隊和寧波大學物理科學與技術(shù)學院王剛副教授團隊合作。研究工作得到了國家自然科學基金面上基金項目(12075307和62174093)、上海市科技啟明星計劃(21QA1410900)和中科院項目(172231KYSB20190004)的資助。