近日，合肥工業(yè)大學(xué)微電子學(xué)院先進半導(dǎo)體器件與光電集成團隊在多種新型光電探測器領(lǐng)域取得一系列進展。相關(guān)成果在微電子器件領(lǐng)域的重要期刊IEEE Transactions on Electron Devices上連續(xù)發(fā)表。

波長傳感器是一種能夠以定量方式區(qū)分不同波長的光電子器件。作為圖像傳感器的補充，波長傳感器，因其在安防監(jiān)護、自動駕駛、和遙感等技術(shù)上的廣泛應(yīng)用而倍受關(guān)注。但是多數(shù)無濾波輔助的波長傳感器存在光譜區(qū)分范圍較窄或波長分辨率低等問題。針對這個問題，上述團隊提出了一種具有簡易結(jié)構(gòu)的波長傳感器，是由兩個相同的肖特基結(jié)光電探測器組成（圖1a）。通過兩個光電器件的光電流比與波長之間存在的單調(diào)函數(shù)關(guān)系可以定量計算出入射光的波長（圖1b-c）。最終測試表明，波長傳感器能夠區(qū)分紫外到近紅外（265-1050 nm）范圍內(nèi)的波長。特別是，在450-900 nm的波長范圍內(nèi)，波長分辨率可達~1 nm（圖1d）。研究成果以“A UV to NIR Si Wavelength Sensor With Simple Geometry and Good Resolution”為題發(fā)表在IEEE Transactions on Electron Devices（2022,69, 2457-2461）。第一作者為合工大微電子學(xué)院博士生付燦，羅林保教授為通訊作者。

圖1.波長傳感器結(jié)構(gòu)原理圖及測試結(jié)果

不僅如此，針對光電導(dǎo)型光電探測器存在暗電流較大和響應(yīng)速度較慢等問題。為系統(tǒng)優(yōu)化光電導(dǎo)型光電探測器的性能，上述團隊通過納米壓印技術(shù)，在GaAs基底上形成周期性層狀鈣鈦礦光柵陣列（G-PVK）結(jié)構(gòu)（圖2b），并構(gòu)建了鈣鈦礦光柵增強型GaAs基光電探測器（圖2a）。由于GaAs和G-PVK間內(nèi)建電場促進載流子的有效分離，GaAs表面電子被耗盡，降低了器件的暗電流（圖2c-d）。此外，衍射光柵良好的陷光效應(yīng)，使得器件的響應(yīng)度實現(xiàn)了顯著提升。最終測試表明，該探測器在530 nm光照條件下的響應(yīng)度為0.3 A W^-1，比檢測率為2.24×10¹⁰Jones，上升/下降時間為0.6/0.56 ms。與無鈣鈦礦光柵的平面GaAs基器件相比，暗電流被抑制了2個數(shù)量級，光響應(yīng)提高了215%。該工作以“Grating perovskite enhanced polarization-sensitive GaAs-based photodetector”為題發(fā)表在IEEE Transactions on Electron Devices上（2022,69, 2469-2473）。微電子學(xué)院研究生曾斌為此工作主要完成人，吳春艷教授和羅林保教授為論文的共同通訊作者。

圖2.光柵鈣鈦礦增強型GaAs光電探測器的原理圖及相關(guān)工作機制

另外，多光譜光電探測器需要對目標(biāo)探測波長具有窄帶響應(yīng)，但目前已報到的窄帶探測機制很難進行探測波長的實時調(diào)控。為解決這個問題，該團隊還提出了一種具有紫外和近紅外窄帶探測能力、波長實時可調(diào)的多光譜光電探測器。該器件由兩個簡單的Au/n-Si肖特基結(jié)構(gòu)成（圖3a）。根據(jù)結(jié)控電荷收集窄化原理（JCCN），此器件的光譜響應(yīng)不僅由光敏層的光吸收特性決定，還受到肖特基結(jié)電荷收集特性的控制（圖3b）。相關(guān)器件測試表明，當(dāng)負(fù)響應(yīng)峰和正響應(yīng)峰分別接近紫外短波段和近紅外長波段時，探測峰的半峰寬縮小至92和117 nm（圖3c-d）。該工作以“Wavelength-Tunable Multispectral Photodetector with Both Ultraviolet and Near-Infrared Narrowband Detection Capability”為題于發(fā)表在IEEE Transactions on Electron Devices（2022,DOI:10.1109/TED.2022.3171501）。微電子學(xué)院研究生陳博瀚為論文工作的主要完成者，王莉副教授和羅林保教授為通訊作者。

圖3.器件工作原理示意圖及測試結(jié)果

上述三項研究均得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省重點研發(fā)計劃、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金等項目的資助。

（李建設(shè)/文 李建設(shè)/圖 趙金華/審核）

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