Nature：光伏场效应晶体管--硅基高性能红外探测的全新可能！

中科幻彩

2019-01-07

红外光电探测器在夜视、健康监测、光通信、三维探测等诸多领域有十分重要的应用价值。然而，作为最成熟的半导体材料之一的硅，受限于其特殊的能带特性，对于探测波长超过1100 nm的应用场景往往无能为力。因此，众多研究人员都致力于改善硅基器件的红外光电性能，以期突破其材料本身能带结构带来的性能限制，是硅基器件能大量应用于红外探测领域。

今天和大家介绍的这篇发表于《Nature》的研究成果，正是来自加拿大多伦多大学EdwardH. Sargent教授研究团队在这一领域的突破性进展。Sargent教授团队常年来以在凝胶量子点太阳能电池（Colloidal Quantum Dot Solar cell, CQD-SC）领域的出色研究而闻名世界。这一次，研究团队巧妙的将凝胶量子点（文中为PbS量子点）的光伏效应与硅基场效应晶体管相结合，利用窄带量子点的红外吸收能力和光伏偏置效应对场效应管沟道的调节，成功的赋予了硅基场效应管高性能的红外探测的能力。这种光伏场效应管（Si:CQD-PVFET）的电流增益可以达到10⁴，探测波长可以超过1500 nm, 开关速率达到100 kHz。而研究团队在文章中使用基于有限元分析的TCAD半导体器件模拟技术，更是为器件的工作原理揭示和结构参数选优提供了清晰的物理图像和有力的理论说明，再一次展现了TCAD模拟技术在半导体光电器件物理研究方面的强大性能。下面我们一起来了解一下。

分别说起硅基场效应晶体管和凝胶量子点太阳能电池相信大家都不陌生。场效应晶体管是一种三端器件，通过施加在左右源极和漏极上的驱动电压获得电流，而中间的栅极则可以通过改变源-漏之间（沟道区域）的电导率来控制器件的导通电流。另一方面，凝胶量子点是一种通过化学法合成纳米颗粒，其拥有对红外光敏感、高光学吸收率、带宽可通过合成工艺调整等特点，被大量使用在红外探测器和太阳能电池中作为光学吸收材料。

图1 PVFET的结构和物理原理。a，Si:CQD PVFET的三维模型。 b，器件偏置电路原理图。 V_DS，源-漏电压; V_GS，栅-源电压。c，器件TCAD模拟结果，显示在1,300 nm光激发下的光生载流子生成。光生载流子仅在CQD光敏栅极层中产生（在b中红色区域）。白线大致对应于耗尽区的边界Si:CQD异质结耗尽层边界。d，TCAD模拟显示在黑暗和1,300 nm光激发下的空穴密度（沟道多子）。Si:CQD异质结上的光伏效应导致硅通道内的耗尽区收缩，空穴浓度增加，沟道电导变大。e，器件垂直方向的平衡能带图（暗条件）。E_F是费米能级。 f，沿着d图中点划线上的空穴密度在暗条件和1300 nm光激发下的变化。

图1给出了器件的结构示意图。整个器件由底部的n+型硅衬底，中部外延生长的p-型硅沟道层，以及顶部的n型量子点光敏栅极层三部分构成。特别的，在沟道层顶部的左右自由区域还有源极与漏极金属电极。由于在深度方向上轻掺杂的p沟道层被夹置于两个n型层之间，其内部的载流子在靠近界面的部分都被大量耗尽，因此形成一种类似于常闭型场效应管的低导通状态。当器件顶部的量子点光敏栅极被激发时，由于Si:CQD异质结的光伏效应，栅极与沟道间的PN结被正向偏置，使其耗尽层变薄，沟道内自由空穴浓度升高，形成高导通状态。研究人员使用Sentaurus TCAD软件对器件进行了全模型有限元模拟分析，还原了器件在暗条件和光照条件下器件内的载流子浓度分布（图1）。我们可以通过模拟结果直观的看到，由于有栅极耗尽层的存在，在暗条件下沟道层只有中部有相对较高浓度的自由空穴。而一旦栅极受波长为1300 nm的入射光照射而发生正向偏置时，沟道区域明显变厚且空穴浓度增高。值得注意的是，这里硅沟道和衬底本身并无法吸收1300 nm的激发光，光生载流子仅仅激发在量子点栅极层内。

图2  PVFET的数值和理论计算分析。a，器件增益率对比。为PVFET绘制两条线：使用TCAD模拟计算为实线；使用理论解析模型计算为虚线。b，四种器件的开关速率及其增益的对比。c，四种器件增益与开关速率依赖关系的对比。

文章随后通过模拟计算，比较了光伏场效应管和传统的光导管（Photoconductor）以及光致场效应管（photo-FET）的差异。相较于光伏场效应管，后两者没有关于沟道层与栅极材料耗尽层的调制过程，他们的工作原理仅仅涉及到导电区域因为光生载流子的出现而发生的电导率的变化。因此，他们的增益系数与器件的基础导通能，即暗电流强度，呈现出简单的线性关系（图2）。相反，在光伏场效应关中沟道大小和载流子浓度对栅极正偏呈非线性关系，整个器件也对暗电流大小显示出非线性的依赖关系。除此之外，由于光导管和光致场效应管依靠暂存的光生载流子工作，其开关性能会受到光生载流子寿命的影响，增加器件响应速率必然导致增益会降低。相反，由于光伏场效应管受耗尽层的开关性能调节，其带宽只和器件的总电容相关，器件增益可以开关速率的上升而增大。计算表明，光伏场效应管的最大增益可以和光致场效应管持平（10⁴ ~ 10⁵），而开关速率（10⁵s ~ 10⁸ s）则更加接近普通二极管的水平（10^-10 s）。

设计高性能的光伏场效应晶体管的关键在于获得能带匹配良好的Si:CQD异质结，这样才能确保光伏效应的有效产生并对沟道区域的耗尽层产生适当的影响。其中一个指导性的指标便是异质结的反向饱和电流，如何饱和电流越大，则异质结产生的开路电压就越小，器件的开关性能就会越差。此外，还需要尽量避免异质结界面上的陷阱态（trap-state），这些缺陷态会阻碍电子空穴对（激子）的有效分离。特别的，避免陷阱态的出现也是光伏场效应管区别于不同光致场效应管的另一个重要特征，后者需要沟道区域的陷阱态来延长光生载流子的有效存在寿命，以提高沟道区域的载流子密度。此外，光致场效应管也不需要实现精准的能带对齐。

图 3  PVFET器件的测试表征结果。a, Si:CQD PVFET, 普通硅基光电探测器和黑硅光电探测器的增益率对比。其中PVEFT中，量子点吸收峰在1300 nm处的为浅棕色线，1500 nm 处的为金线。 PVFET偏置为V_GS = 0 V，V_DS = 2 V（实线），V_DS = 3 V（虚线）。垂直的点划线突出显示PVFET曲线中的峰值。b，器件响应度（在1,300nm波长下）随入射光功率的变化。c，在1300 nm入射光照射下的响应度，器件响应率对偏压的变化。

实验测试表明，这种基于凝胶量子点的硅基光伏场效应管拥有比其他纯硅基光电探测器的高几百倍的增益比例，达到了6x10⁴，以及更有效的红外探测能力。不同于普通硅基材料在超过1100 nm后增益比例的显著降低，光伏场效应管的增益比例反而会在量子点激子吸收峰附近获得一个显著的增强，并且这个增强波长可以通过调节量子点的大小（激子态的能量）而改变（图3）。在实验中，研究团队分别展示了吸收峰值为1300nm和1500 nm的两种情况，在硅基器件上均可以获得超过10⁴的增益比例，显示出这一技术的强大可扩展性。由于异质结偏置和场效应管的沟道调节带有天然的非线性特性，器件的响应率随入射光照的功率以及器件的偏置电压（源-漏电压，栅-源电压）变化均表现出一定的非线性特性，这表明器件的探测结果在高功率激发和低偏置电压的情况下需要额外的离线非线性矫正。

图4  Si:CQD PVFET的响应时间。a，器件开关的上升和下降边缘特性展示。b，器件上升和下降沿细节展示。c，对PVFET（顶部）和普通硅器件（底部）对100-kHz调制信号的响应曲线对比。

在时域响应方面，光伏场效应管也拥有出众的表现。正如前文提到的，该器件开关速度只与器件总电容有关，且已经尽力避免了陷阱态的出现，因此表现出稳定的高速开关特性。实验表明，测试器件对方波的响应上升沿和下降沿的响应时间约在10 us ~ 20 us左右，并且可以通过进一步消除材料缺陷和陷阱态继续提高。这近乎时传统凝胶量子点光电探测器响应时间（100 ms）的一万倍。正如前文提到的，理论计算表明该器件的极限响应速率可以达到纳米级别，可以与光电二极管相媲美，适用于时间飞行探测（time-of-flight sensing）、机器视觉等场景。此外，该器件的开关响应噪声特性也优于传统普通硅基器件，量子点栅极层并没有为器件引入额外的噪声源（图4），器件整体探测率（specific detectivityD*）维持在1.8x10¹² jones的水平。

最后总结一下，这篇来自多伦多大学Sargent教授团队的《Nature》介绍了一种新型的基于光伏效应的硅基场效应晶体管。该器件创造性的使用凝胶量子点薄膜作为光敏栅极，通过量子点与硅沟道层的异质结受光伏效应的偏置来调控器件的导通状态。该硅基器件拥有高增益率，高速响应以及可调节的红外探测能力，展现了硅基器件在红外探测应用领域的全新可能。在这篇文章中，我们看到了基于有限元分析的TCAD半导体器件模拟的强大模拟仿真能力。TCAD模拟技术可以有效的还原半导体光电器件的工作性能和底层物理过程，可以为器件的结构和材料优化提供直观而生动的物理图像，是研究光电器件物理性能的不二选择。