摘要
高灵敏度的短波红外（SWIR）探测器对于微弱红外辐射探测和成像至关重要，在夜视、光谱学和半导体检测等领域都有广泛应用。当前高性能短波红外探测技术主要依赖于单晶的铟镓砷、碲镉汞等传统半导体的光电二极管，经过半个世纪的发展，铟镓砷二极管的材料和工艺不断优化，逐渐逼近极限，室温下单个像素的暗电流已经逼近1-10 fA,探测灵敏度达到1013 Jones。然而，这类探测器没有内部增益，且需要在非硅基底上外延生长，生长温度高于400℃,成本高昂;与硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺不兼容，需要与硅基CMOS读出电路进行倒焊互连，良率受限，难以进一步缩小像元尺寸、提升分辨率。这些因素限制了短波红外探测技术在消费电子领域的广泛应用。 基于新兴低维材料的光电晶体管能够提供较大的光增益、工艺简单且能够与硅基CMOS兼容，为克服上述瓶颈问题提供了方案。在众多选择中，碳纳米管具有优异的电学、光学和机械性能，能够与透明、柔性等多种基底兼容，具有低温无掺杂CMOS技术，是颇具潜力的电子、光电材料，有望构建高灵敏度、大面阵、智能灵巧型的碳硅基单片集成的红外探测芯片。然而，单层碳纳米管薄膜具有原子级的厚度且激子束缚能大，光生电子-空穴难以分离，严重限制了其红外探测器的性能。较厚的碳纳米管薄膜能实现超过99％的光吸收，但暗电流和噪声极大。这种光吸收和暗电流的相互制约长期限制了碳纳米管等低维半导体的探测能力。因此，目前基于碳纳米管不同架构（二极管、晶体管等）的红外探测器，其暗电流大多高于100 pA，探测灵敏度低于1011Jones。 针对以上挑战，本论文基于“光-电”解耦的基本思想，提出了一种基于小管径（大带隙）HiPco碳纳米管的异质结栅控型场效应晶体管（HGFET）。我们设计了基于硫化铅（PbS）量子点和氧化锌（ZnO）的PIN结构的光敏单元，能够有效吸收SWIR辐照，并在内建电场的作用下促进光生电子-空穴快速分离，产生随入射光功率变化的光开压。这一光开压信号作用在下层碳纳米管沟道的超薄顶栅介质（6nm氧化钇）上，通过静电电容耦合的机制被碳纳米管晶体管协同放大。碳纳米管晶体管将光开压信号转化为源漏极两端的电流信号。在这种新型架构中，光吸收和电荷分离是在光敏单元中完成，电荷输运和信号放大是在碳纳米管电学单元完成，光电耦合与协同是通过两者之间的高k栅介质完成。这种光电解耦机制有效实现了对光学和电学过程的合理管理，由于光敏单元处于开路状态，不存在与电流相关的散粒噪声和1/f噪声，因此整个器件架构能够在有效放大光信号的同时，几乎不放大噪声，从器件物理上获得超高的灵敏度。相比于电弧放电法( Arc-discharge)制备的小带隙碳纳米管薄膜，高压一氧化碳合成法(High-pressure carbon monoxide synthesis)制备的HiPco碳纳米管具有更大的带隙，有望在兼顾高信号放大能力的同时进一步降低探测器的暗电流和噪声。因此，我们分别基于全局底栅结构和局域底栅结构构建了HGFET型短波红外探测器，并测试和分析了器件的性能优化效果。 基于300 nm氧化硅底栅介质制备的全局底栅结构的P型HGFET器件，在偏压-0.1 V下暗电流达到0.4 pA,噪声电流为6.5×10-14 A/Hz1/2，远低于其他碳纳米管光电二极管和场效应晶体管，也低于大多数二维材料和氧化物半导体的光电晶体管。同时，在底栅电压为-12 V和1300nm、7.59 nW/cm2的弱光辐照下初步实现了1.6×1013 Jones的比探测率，与高性能的铟镓砷二极管相当。然而，对于全局底栅结构的HGFET，器件的底栅介质较厚、k值较低，栅控能力有限，导致底栅电压较大，与当前CMOS技术的工作电压VDD (小于5 V)不兼容。 针对此问题，我们进一步设计了基于局域底栅结构的HiPco碳纳米管光电晶体管。通过采用10 nm氧化铪作为底栅介质，实现了更好的栅控效果，将底栅电压范围缩小至-2 V至2 V。并且，在-0.2 V的栅压和0.81 nW/cm2的弱红外辐照下器件实现了8.6 pA的低暗电流，1.83×10-13 A/Hz1/2的低噪声和5.7×1013 Jones的峰值比探测率，超过了本课题组前期研发的基于Arc-discharge碳纳米管短波红外探测器，实现了整体性能的优化。
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