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(yīng)度和低噪聲，獲得極高的信噪比/比探測率，以實現(xiàn)對微弱紅外光的探測(晴朗星光，<10?? W·Sr?1·cm?2·μm?1)。當(dāng)前主流的外延型短波紅外探測技術(shù)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(yīng)產(chǎn)生了光電流的倍增，但在“光電混合”的架構(gòu)下，由于載流子的隨機電離這類器件表現(xiàn)出更大的過剩噪聲，依然很難實現(xiàn)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(dǎo)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(zhì)散射等)的困境。
 

　　近日，北京大學(xué)電子學(xué)院、碳基電子學(xué)研究中心、納光電子前沿科學(xué)中心、重慶碳基集成電路研究院的張志勇教授團隊聯(lián)合北京交通大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院王穎副教授團隊開發(fā)了一種異質(zhì)結(jié)柵場效應(yīng)晶體管(HGFET，圖1)，利用光電解耦機制，實現(xiàn)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(dǎo)體碳納米管網(wǎng)狀薄膜作為半導(dǎo)體溝道構(gòu)建MOS晶體管，在其柵介質(zhì)上制備硫化鉛量子點/氧化鋅異質(zhì)結(jié)光電二極管作為柵極，實現(xiàn)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(yīng)(圖2)，而且具有超高的本征增益和響應(yīng)度、較低的噪聲和較高的響應(yīng)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(yōu)勢(圖3—4)。團隊還基于碳基HGFET光電晶體管實現(xiàn)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(huán)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(xiàn)超高分辨率成像。
 

圖1 碳基光電解耦光電晶體管探測架構(gòu)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(yīng)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(guān)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(fā)表于Advanced Materials。北京大學(xué)電子學(xué)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(xué)電子學(xué)院蔣見花副研究員，北京郵電大學(xué)集成電路學(xué)院張盼盼特聘研究員，華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院張建兵副教授及光學(xué)與電子信息學(xué)院唐江教授為合作作者。上述研究得到了國家自然科學(xué)基金的資助，以及北京大學(xué)微納加工實驗室校級平臺支持。