上海微系統(tǒng)所在硅基寬光譜探測研究方面取得系列進(jìn)展

  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(shí)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(duì)硅基寬光譜探測器中界面光壓構(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(shí)的紅外與可見光響應(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偏壓進(jìn)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(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(jì)和多模式探測提供參考價(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。