紅外探測技術(shù)在夜視、健康監測、光通信和三維物體識別等領(lǐng)域具有很高的應用價(jià)值。理想的紅外探測器必須具有快速響應、高響應率和低功耗等特點(diǎn)。而硅的帶隙約 1．1 eV，無(wú)法吸收波長(cháng)大于 ～1100 nm 的光子，因此不能直接用于紅外波段的光探測?；谶@個(gè)原因，眾多研究人員努力探索一種結合最新的紅外傳感技術(shù)，實(shí)現與硅集成的紅外探測功能。

【成果簡(jiǎn)介】

美國多倫多大學(xué)電子與計算工程系的Edward H． Sargent（通訊作者）等人制備了一種用硅實(shí)現電荷輸運的光伏場(chǎng)效應晶體管，由于加入了量子點(diǎn)光吸收體，該晶體管可以實(shí)現對紅外光的響應。器件工作時(shí)，光伏效應產(chǎn)生于硅和量子點(diǎn)的界面處，結合硅的高跨導特性，可以使器件具有高增益（1500 nm波長(cháng)處，＞104 電子／光子）、快時(shí)間響應（小于10微秒）、可調的寬光譜響應性等優(yōu)良特性。相比之前報道的硅基紅外探測器，本工作中制備的光伏場(chǎng)效應晶體管在1500 nm 波長(cháng)處靈敏度提高了5個(gè)數量級。更重要的是，他們所用的量子點(diǎn)是采用室溫溶液法制備的，無(wú)需傳統半導體（鍺和III－V族半導體等）所需的高溫外延生長(cháng)過(guò)程。因此，膠體量子點(diǎn)可被用于硅基紅外探測器件，與現有的外延半導體器件相比具有獨特優(yōu)勢。

【圖文簡(jiǎn)介】

圖1 PVFET 的結構和物理原理　　

a Si：CQD PVFET的三維模型；

b 器件工作時(shí)的電路示意圖；

c 1300nm波長(cháng)光激勵下，器件的計算機輔助技術(shù)（TCAD）模擬發(fā)現光生載流子僅在CQD光柵處產(chǎn)生；

d 1300nm波長(cháng)光激勵下，器件的計算機輔助技術(shù)（TCAD）模擬研究了黑暗處的空穴密度。光信號產(chǎn)生光伏，導致硅溝道的耗盡區收縮，進(jìn)而使空穴密度和溝道電導增加；

e 平衡狀態(tài)下的能帶示意圖；

f 不同情況下的空穴密度研究。

圖2 PVFET 的數值結算和理論分析

a 不同器件的增益－暗電流模型；

b 不同旗艦的增益－頻率曲線(xiàn)；

c PVFET、光電導元件和光－FET的增益－頻率關(guān)系模型。

圖3 PVFET的表征　　

a Si：CQD PVFET的光譜增益；

b 入射光功率的響應函數；

c 器件工作時(shí)的響應率。

圖4 Si：CQD PVFET的響應時(shí)間　　

a 上升和下落邊緣表明很快和很慢的組分；

b 上升和下落邊緣的快組分的閉合；

c PVFET在100－kHz調制信號下的響應。

【小結】

這種Si：CQD PVFET具有高增益、寬譜響應（包含紅外波段）、高響應速度和包含暗電流等優(yōu)點(diǎn)。其性能可以通過(guò)先進(jìn)的硅工藝進(jìn)一步提升。該工作亮點(diǎn)在于，將成熟的硅電子工藝和CQDs的突出優(yōu)勢相結合，發(fā)明出兩者兼有并互補的新型器件結構。該工作對于理解基于光伏效應和跨導增益的探測機制有很大的杠桿促進(jìn)作用。