半導(dǎo)體是信息時(shí)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(wú)法有效探測(cè)到1100 nm以上的紅外光波,而探測(cè)波段決定探測(cè)能力,不同波段反應(yīng)不同信息,因此將硅基器件探測(cè)范圍從可見(jiàn)光拓展至紅外波段,實(shí)現(xiàn)寬光譜探測(cè),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(duì)硅基寬光譜探測(cè)器中界面光壓構(gòu)筑、隧穿機(jī)制構(gòu)建和納米諧振構(gòu)造等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,中科院上海微系統(tǒng)所鄭理副研究員團(tuán)隊(duì)取得系列進(jìn)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(shí)現(xiàn)硅基高性能寬光譜探測(cè)器的前提。利用硅和量子點(diǎn)天然的能帶偏移特征,設(shè)計(jì)了一種無(wú)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(cè)率特征,還具有可辨識(shí)的紅外與可見(jiàn)光響應(yīng)時(shí)間,從而賦予了該器件自調(diào)諧功能,而且其響應(yīng)時(shí)間及光電流方向亦可通過(guò)偏壓進(jìn)行調(diào)控。該研究為硅基寬光譜探測(cè)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(guò)構(gòu)建硅/高κ絕緣層/三維石墨烯隧穿光電探測(cè)器,利用高κ絕緣層引入隧穿機(jī)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(shí)現(xiàn)了快速傳輸且顯著提升器件光響應(yīng)。該研究工作對(duì)開(kāi)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(xué)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(cè)器
光吸收增強(qiáng)是決定硅基光電器件性能的關(guān)鍵要素之一。通過(guò)將硅基光學(xué)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(cè)器,實(shí)現(xiàn)了光吸收的“雙增強(qiáng)效應(yīng)”,顯著提高了器件的探測(cè)率和響應(yīng)度。該研究工作將為新型硅基光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多模式探測(cè)提供參考價(jià)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(cè)器
該系列研究工作分別和上??萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院寧志軍副教授團(tuán)隊(duì)和寧波大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院王剛副教授團(tuán)隊(duì)合作。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上基金項(xiàng)目(12075307和62174093)、上海市科技啟明星計(jì)劃(21QA1410900)和中科院項(xiàng)目(172231KYSB20190004)的資助。
新聞來(lái)源:上海微系統(tǒng)所
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