近日，南京大学王肖沐教授和王军转教授联合北京理工大学团队，通过设计遂穿结光电场效应晶体管，创新地提出基于陡坡效应的光电晶体管（steep-slope phototransistors），即通过降低亚阈值摆幅提升红外极限弱光探测探测能力的方法，突破了常规只采用比探测率定义探测器的探测极限的标准，并在实验上取得突破性进展。研究团队在《自然·通讯》（nature communications）期刊发表了题为基于陡坡效应光电晶体管的超弱红外光探测（ultra-weak infrared light detection based on steep-slope phototransistors）的研究成果。
研究背景
在现代科技领域，高效灵敏的红外光检测技术在夜视、环境监测、医疗成像和通信等应用中具有关键作用。传统红外探测器通常采用比探测率（D*）和等效噪声功率（NEP）作为性能评价指标，然而在器件工作在非线性面对极弱光信号时，由于器件受到热扰动带来的所谓‘Boltzmann tyranny’的限制，往往需要先填充器件量子电容，从而降低载流子传输的势垒（工作原理如图1所示），严重制约了其在弱光探测中的应用性能。针对这一技术瓶颈，该团队提出创新解决方案，开发出隧穿结的场效应器件结构（TFET）。该器件利用隧穿效应实现小亚阈值摆幅（SS），显著提升了光生载流子的收集效率，使弱光探测能力较传统器件提升30倍以上，取得了突破性进展。
图文介绍
研究团队采用窄禁带的黑磷作为探测器工作物质，通过创新性地分区栅控构造隧穿结的场效应器件结构，如图2(a)和(b)为研究团队的器件结构示意图和原型器件光学照片，相比于传统的场效应晶体管（CFET），随着载流子浓度增加，遂穿结更容易实现对载流子的抽取和收集，这样就对应更陡直更小的SS(如图2c-e所示)。通过测量器件变温输运曲线，分别提取了不同温度下的SS，证实了亚阈值区域TFET带间遂穿主导的工作模式，大大降低了SS（如图3a-d所示）。进一步研究了亚阈值摆幅(SS)与开启阈值的关联性，得到了探测阈值光功率基本和SS成正比的关系（如图4a-d所示），实现了超弱红外光信号的高效捕获与转换，80K温度下，最低探测功率为35pW。这一突破性进展为红外探测技术的发展开辟了新途径，在微弱信号检测领域展现出重要应用价值。
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图1：光电晶体管开启阈值功率的概念与原理。a，光电探测器阈值功率示意图。两个光电晶体管的最小可探测功率由其探测率决定（P1和P2）。另一个具有优化检测极限的探测器展现出更好的阈值功率（P3），尽管其响应度（R）较低。b，光电晶体管阈值功率的起源（由源极（S）、漏极（D）和栅极定义）。c，阈值以下（区域1）和以上（区域2）的沟道电荷，箭头表示光电流方向。d，光（ℎν）照射下的光电晶体管结构；e，光电晶体管沟道的表面电势和电荷密度随入射光功率的变化关系。
图2 ：黑磷(BP)光隧穿晶体管。a. 器件结构示意图，展示BP沟道、石墨烯接触电极(源极Vs与漏极Vd)、底栅(Vbg)、两个部分顶栅(Vtg1与Vtg2)以及六方氮化硼(hBN)介质层。b. 图(a)中典型器件的扫描电子显微镜(SEM)伪彩照片，彩色虚线标注器件不同层结构：黄色为底层hBN，白色为顶层hBN，实线白框标示底栅电极，比例尺为10微米。c和d分别展示不同光晶体管工作原理的能带示意图，具体描绘了光隧穿晶体管与传统场效应晶体管(FET)在暗态(蓝色虚线)与光照(红色实线)下的情况。采用带间隧穿(热电子)电荷注入机制时，器件具有陡峭(平缓)的亚阈值摆幅(SS)并对弱光产生(无)响应。Id表示源漏电流，Ef为费米能级，Ev代表BP沟道价带能量。e. 图(b)器件在室温下不同工作模式的转移特性曲线。无顶栅电压(Vtg)时表现为双极型FET(黑色曲线)；当Vtg1=6V(Vtg2=-6V)时，器件配置为p型(n型)隧穿晶体管(Vds=0.1V)。f和g为隧穿晶体管模式的放大转移曲线，虚线三角标示SS=60mV/dec的亚阈值斜率作为对比基准。
图3：光隧穿晶体管的带间隧穿特性。a、b分别为器件在隧穿晶体管模式(a)和传统FET模式(b)下随温度变化的转移特性曲线(Vds=0.1V)。c展示了两种模式下提取的最低亚阈值摆幅(SS)与温度的关系：传统FET(红色)的SS随温度线性增加，遵循热电子注入规律；而隧穿晶体管(黑色)的SS与温度无关，呈现带间隧穿特性，虚线用于标示总体变化趋势。d为T=300K时根据转移曲线提取的SS随源漏电流变化关系。
图4 ：亚阈值摆幅(SS)与开启阈值的关联性。a. 通过光响应测量提取的传统FET(红色)与光隧穿晶体管(黑色)响应度对比，显示光隧穿晶体管具有更优的阈值功率但响应度较低。b. 实测传统FET(红色)与光隧穿晶体管(黑色)的阈值功率随温度变化关系，曲线可划分为两个特征区域，揭示了电荷注入机制对阈值功率的决定性作用。c. 不同顶栅电压(Vtg1)下器件的转移特性曲线，显示SS随Vtg1连续调控，灰色虚线标示SS=60 mV/dec的参考斜率(Vds=0.1V)。d. 对应(c)中配置的实测阈值功率与SS的函数关系。
结论与展望
本研究不仅在理论上验证了陡坡光电晶体管在超弱红外光检测中的优越性能，还在实验中展示了探测阈值功率与陡坡斜率SS的函数关系的实际效果，陡坡越陡，对应的SS越小，弱光探测的极限功率就越低。通过进一步优化材料和器件设计，理论上当SS=5.3 mV/dec时可以实现单光子探测，未来有望将这一技术应用于更广泛的领域，如军事侦察、安防监控、环境监测和医疗诊断等。
南京大学王肖沐教授以及我院王军转教授为该工作共同通讯作者，南京大学电子学院博士生梅家栋为该工作第一作者，西北工业大学甘雪涛教授为工作提供了指导。研究得到了基金委杰出青年项目、重点项目以及国家重大研究计划的支持。
