短波红外（SWIR，波长范围：1000-3000 nm）单光子探测技术对于光谱学、量子信息处理、生物医学成像、通信和传感等应用领域至关重要。超灵敏短波红外光子探测是量子技术研究的重要方向。然而，由于硅材料在短波红外波段的吸收系数低，开发基于CMOS兼容的硅基短波红外探测一直面临挑战。
据麦姆斯咨询报道，近日，由日本静冈大学（Shizuoka University）和印度理工学院鲁尔基分校（Indian Institute of Technology Roorkee）组成的研究团队在绝缘体上硅（SOI）场效应晶体管（FET）架构中制备了一种共掺杂硅基单电子晶体管（SET），成功实现了超高灵敏度的短波红外单光子探测。与黑暗条件相比，在光照条件下SET电流峰值起始点的偏移以及随机电报信号（RTS）的出现，验证了该器件的探测机制。根据噪声等效功率（NEP）计算，该器件的灵敏度为10⁻¹⁹ W/√Hz。这项研究成果以“Ultra-Sensitive Short-Wave Infrared Single-Photon Detection Using a Silicon Single-Electron Transistor”为题发表在Advanced Electronic Materials期刊上。
该短波红外单光子探测技术采用CMOS兼容的电子束光刻制备的共掺杂SOI-FET，具有纳米级通道尺寸。图1a为共掺杂SOI-FET器件的结构示意图，图1b为该器件的扫描电子显微镜（SEM）图，图1c展示了该器件通道区域内磷（P）供体和硼（B）受体的随机分布示意图。
图1 共掺杂SOI-FET器件的结构示意图、SEM图以及纳米级通道区域
随后，研究人员对该共掺杂SOI-FET器件光电特性和稳定性做了深入研究，相关结果如图2所示。图2b展示了该器件在VBG-VD平面上的稳定性图。Arrhenius图可用于研究温度对器件的电流-电压特性的影响。图2c展示了根据Arrhenius图计算的势垒高度与背栅电压（VBG）的函数关系。根据器件的传输特性（如图2a至图2c）以及P供体的估计位置，图2d展示了通道区域的电势分布模型。
图2 共掺杂SOI-FET器件的光电特性表征
为了探究该器件的光诱导效应（light-induced effects）。研究人员在光照下测量了该器件的稳定性（如图3a）。SET电流峰值的偏移可能是由于源极和漏极的费米能级的变化。在短波红外光照下，扩展的源极和漏极区域中掺杂激活的增加，导致其费米能级可能高于通道区域的费米能级（如图3b）。
图3 共掺杂SOI-FET器件的光诱导效应研究
此外，研究人员还测量了该器件在不同光子能量下的稳定性图，图4a和图4b分别展示了在波长为1154 nm（对应于导带边缘附近价带与供体带之间载流子激发所需的能量）和750 nm（光子能量大于硅带隙的情况）的光照下该器件的稳定性。
图4 不同波长光照下共掺杂SOI-FET器件的稳定性图
综上所述，这项研究展示了一种在短波红外波段工作的高灵敏度全硅单光子探测器件，利用共掺杂的SOI-FET作为单电子晶体管。该器件在短波红外波段的光子探测机制主要依赖于对随机电报信号的分析，以及在短波红外光照下SET电流峰值相对于黑暗条件的偏移。此外，该器件中的高掺杂浓度有效增强了光子吸收能力，从而将硅基探测能力扩展至亚带隙短波红外波段。值得注意的是，该器件还展现出在近红外（NIR）和可见光波段探测单光子的潜力。根据噪声等效功率（NEP）计算，该器件的灵敏度为10⁻¹⁹ W/√Hz，相较于现有技术实现了显著突破。这种基于SET探测机制实现的超高灵敏度，使该器件成为未来在较高温下进行长波长光子探测应用的理想候选者。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/aelm.202400714
