為了滿足高端被動短波紅外成像的需求，傳感器必須同時具有高響應度和低噪聲，獲得極高的信噪比/比探測率，以實現對微弱紅外光的探測(晴朗星光，<10?? W·Sr?1·cm?2·μm?1)。當前主流的外延型短波紅外探測技術依賴于單晶的銦鎵砷(InGaAs)PN型光電二極管，由于缺乏本征增益，其比探測率很難達到5×1013 Jones，難以滿足星光探測需求。雪崩光電二極管(APD)雖然在大偏壓下通過“雪崩”效應產生了光電流的倍增，但在“光電混合”的架構下，由于載流子的隨機電離這類器件表現出更大的過剩噪聲，依然很難實現靈敏度的大幅度提升。近年來，基于新型低維材料的光電晶體管不僅與硅基讀出電路工藝兼容，并具有較高的本征增益，但由于其缺陷主導的工作機制、且光傳感和電放大單元直接接觸，面臨增益帶寬積受限、噪聲被放大(雜質散射等)的困境。
 

　　近日，北京大學電子學院、碳基電子學研究中心、納光電子前沿科學中心、重慶碳基集成電路研究院的張志勇教授團隊聯合北京交通大學物理科學與工程學院王穎副教授團隊開發了一種異質結柵場效應晶體管(HGFET，圖1)，利用光電解耦機制，實現了對信號的超高增益，而基本不放大噪聲，獲得了對短波紅外探測的比探測率達到1014 Jones，充分滿足了星光夜視的需求。團隊采用高純半導體碳納米管網狀薄膜作為半導體溝道構建MOS晶體管，在其柵介質上制備硫化鉛量子點/氧化鋅異質結光電二極管作為柵極，實現了光傳感和電放大的物理空間隔離。該光電晶體管暗電流低，對極弱紅外光(1300 nm，0.46 nW/cm2)具有顯著的響應(圖2)，而且具有超高的本征增益和響應度、較低的噪聲和較高的響應速度，在高增益模式下，峰值比探測率超過1014 Jones。在同等測試條件下，碳基HGFET探測器比商用的InGaAs探測器的比探測率高出兩個量級，并在增益帶寬積上相對于已有探測器顯示出明顯優勢(圖3—4)。團隊還基于碳基HGFET光電晶體管實現了64×64像素的板級成像芯片，初步演示了光強低至100 nW/cm2的弱光環境成像(圖5)。更為重要的是，碳基HGFET探測陣列可以在硅基IC上利用后道工藝集成，通過通孔直接與硅基讀出電路鏈接，可以將像素間距縮減到5微米以下，實現超高分辨率成像。
 

圖1 碳基光電解耦光電晶體管探測架構及其增益噪聲機制
 

圖2 碳基HGFET器件的超靈敏近紅外光響應特性測試
 

圖3 碳基HGFET器件與商用銦鎵砷器件同條件測試對比
 

圖4 高性能的碳基HGFET型短波紅外探測器
 

圖5 64×64像素HGFET面陣成像演示
 

　　相關研究成果以題為《用于星光探測的光電解耦型光電晶體管》(“Opto-Electrical Decoupled Phototransistor for Starlight Detection”)的論文，于11月12日在線發表于Advanced Materials。北京大學電子學院2021級博士研究生周紹元為第一作者，王穎、張志勇為通訊作者。北京大學電子學院蔣見花副研究員，北京郵電大學集成電路學院張盼盼特聘研究員，華中科技大學集成電路學院張建兵副教授及光學與電子信息學院唐江教授為合作作者。上述研究得到了國家自然科學基金的資助，以及北京大學微納加工實驗室校級平臺支持。