为了满足高端被动短波红外（SWIR）成像的需求，传感器必须同时具有高响应度和低噪声，获得极高的信噪比/比探测率，以实现对微弱红外光的探测（晴朗星光，<10⁻⁸ W·Sr⁻¹·cm⁻²·μm⁻¹）。当前主流的外延型短波红外探测技术依赖于单晶的铟镓砷（InGaAs）PN型光电二极管，由于缺乏本征增益，其比探测率很难达到5×10¹³ Jones，难以满足星光探测需求。雪崩光电二极管（APD）虽然在大偏压下通过“雪崩”效应产生了光电流的倍增，但在“光电混合”的架构下，由于载流子的随机电离这类器件表现出更大的过剩噪声，依然很难实现灵敏度的大幅度提升。近年来，基于新型低维材料的光电晶体管不仅与硅基读出电路工艺兼容，并具有较高的本征增益，但由于其缺陷主导的工作机制、且光传感和电放大单元直接接触，面临增益带宽积受限、噪声被放大（杂质散射等）的困境。
据麦姆斯咨询报道，由北京大学、北京交通大学、中国科学院微电子研究所和华中科技大学组成的研究团队开发了一种异质结栅场效应晶体管（HGFET，如图1），利用光电解耦机制，实现了对信号的超高增益，而基本不放大噪声，获得了对短波红外探测的比探测率达到10¹⁴ Jones，充分满足了星光夜视的需求。相关研究成果以“Opto-Electrical Decoupled Phototransistor for Starlight Detection”为题，发表在Advanced Materials期刊上。北京大学电子学院2021级博士研究生周绍元为第一作者，北京交通大学物理科学与工程学院王颖副教授和北京大学电子学院张志勇教授为通讯作者。
图1 碳基光电解耦光电晶体管探测架构及其增益噪声机制
研究团队采用高纯半导体碳纳米管网状薄膜作为半导体沟道构建MOS晶体管，在其栅介质上制备硫化铅量子点/氧化锌异质结光电二极管作为栅极，实现了光传感和电放大的物理空间隔离。
该光电晶体管暗电流低，对极弱红外光（1300 nm，0.46 nW/cm²）具有显著的响应（如图2），而且具有超高的本征增益和响应度、较低的噪声和较高的响应速度，在高增益模式下，峰值比探测率超过10¹⁴ Jones。
图2 碳基HGFET器件的超灵敏近红外光响应特性测试
场效应晶体管（FET）的增益取决于栅极电压，这将为调整HGFET探测器探测能力提供条件。研究人员通过在相同测试条件下直接测试短波红外响应特性，比较了HGFET探测器与商用InGaAs光电二极管的性能。在同等测试条件下，碳基HGFET探测器比商用的InGaAs探测器的比探测率高出两个量级，并在增益带宽积上相对于已有探测器显示出明显优势（如图3和图4）。
图3 碳基HGFET器件与商用铟镓砷器件同条件测试对比
图4 高性能的碳基HGFET型短波红外探测器
研究团队还基于碳基HGFET光电晶体管实现了64×64像素的板级成像芯片，初步演示了光强低至100 nW/cm²的弱光环境成像（如图5）。更为重要的是，碳基HGFET探测阵列可以在硅基IC上利用后道工艺集成，通过通孔直接与硅基读出电路链接，可以将像素间距缩减到5 μm以下，实现超高分辨率成像。
图5 64×64像素HGFET面阵成像演示
综上所述，这项研究报道了一种光电解耦HGFET短波红外探测器，实现了对信号的超高增益，而对于探测微弱的红外辐射几乎不放大噪声。由于HGFET的制造工艺与CMOS读出集成电路高度兼容，因此HGFET为在薄膜半导体中实现高端被动夜视图像传感器提供了通用平台。这项技术也为创新型光电电路和未来具有高分辨率、高灵敏度和低成本的单片集成系统铺平了道路。
https://doi.org/10.1002/adma.202413247
