上海微系統(tǒng)所在硅基寬光譜探測研究方面取得系列進展

  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，因此硅基技術的源頭和底層創(chuàng)新事關集成電路發(fā)展和產業(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筑、隧穿機制構建和納米諧振構造等關鍵科學問題，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，設計了一種無需界面能帶調控的光壓三極管(PVTRI)結構，該器件不僅兼具高響應度和高探測率特征，還具有可辨識的紅外與可見光響應時間，從而賦予了該器件自調諧功能，而且其響應時間及光電流方向亦可通過偏壓進行調控。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生額外光壓，實現(xiàn)了快速傳輸且顯著提升器件光響應。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(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合制備寬光電探測器，實現(xiàn)了光吸收的“雙增強效應”，顯著提高了器件的探測率和響應度。該研究工作將為新型硅基光電探測器的結構設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物質學院寧志軍副教授團隊和寧波大學物理科學與技術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。