CN110431672A - 光伏场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
在一个实施方案中,提供一种光电检测器,所述光电检测器提供增敏介质,所述增敏介质适于接收电磁辐射,从而与传输沟道形成结,其中所述传输沟道适于响应于所述增敏介质接收到所述电磁辐射而展现电导率改变。
Description
技术领域
本申请涉及电子电路领域,且具体地涉及硅光电检测器。
背景技术
将硅光电检测器的优异性能扩展到硅的带隙之外的红外光谱中备受关注。红外辐射的检测对于例如夜视、健康监测、光谱学、物体检查和光学通信等应用是重要的。硅是现代电子产品的主力,但其电子带隙防止波长大于~1100nm的光被检测到。
理想的IR光电检测器必须将快速响应时间、高响应度和低功耗与易于制造进行组合。由于外延晶体生长要求以及缓解硅污染/掺杂的需要,此方向上的基于例如III-V和锗等外延半导体的早期努力增加了制造工艺中的复杂性。
最近报道了黑硅,所获得的IR敏感材料采用硅表面的激光处理。令人遗憾的是,此技术在红外波长(10-2到10-1A/W)下的响应度较低。
胶体量子点(CQD)已实现了受益于IR灵敏度、高光吸收度、波长可调性、低成本和室温溶液处理的光电检测器。然而,这些光电检测器尚未有意义地集成有硅。在异质结光电二极管或传统光场效应晶体管(光电FET)中,量子点固体中的适度传输限制了装置的性能。
因此,需要一种不受光电导效应影响的光电检测器、一种产生响应但缓慢或快速但无响应的光电检测器的机制。
更一般地,需要一种光电检测器,其对电磁辐射的特定波长实现选择性灵敏度。还需要一种在超出标准硅带隙的波长下有效的光电检测器。
提供此背景信息以展现申请人认为可能与本申请相关的信息。并不旨在承认或将上述任何信息解释为构成不利于本申请的现有技术。
发明内容
在一个实施方案中,提出一种光电压场效应晶体管(PVFET),其使用硅来进行电荷传输,但通过增敏介质增加光增敏。在一些实施方案中,所述增敏介质包括量子点电磁辐射吸收体。在一些方面,所述增敏介质对常规硅带隙之外的电磁辐射敏感。
在实施方案中,提供一种光电检测器,其提供用于接收入射电磁辐射并产生结合光电荷的增敏介质。邻近于所述增敏介质的传输沟道适于在所述增敏介质中产生光电荷时改变至少一个电特性。对所述至少一个电特性的评估实现对所述入射电磁辐射的估计。在一些方面,所述至少一个电特性包括所述传输沟道的电导率。
在实施方案中,提供一种光电侦测器。所述光电侦测器可包括:传输沟道,其由第一掺杂类型的第一半导体组成,所述传输沟道夹在增敏介质与衬底半导体之间;所述增敏介质由第二掺杂类型的第二半导体组成;且所述衬底半导体具有所述第二掺杂类型;其中以电磁辐射照明所述增敏介质会调制所述增敏介质与所述衬底之间的内置电位,并引发所述传输沟道的电导率改变。
在实施方案中,提供一种光电侦测器。所述光电侦测器可包括:衬底半导体;衬底,其支撑所述传输沟道半导体且与其接触;所述传输沟道支撑增敏介质半导体、正触点和负触点,并且与其接触;所述正触点位于所述传输沟道的与所述负触点相对的一端处,并包围所述增敏介质;且其中所述传输沟道与所述增敏介质形成半导体:半导体异质结。在一些实施方案中,所述增敏介质包括至少一个纳米半导体。在一些实施方案中,所述增敏介质包括至少一个量子点。在一些实施方案中,所述传输沟道包括单晶结构,且其中所述增敏介质包括多晶结构。在一些实施方案中,所述增敏介质包括固体膜,所述固体膜包括至少一个半导体量子点。
在实施方案中,提供一种光电侦测器。所述光电侦测器可包括:硅基沟道,其由硅基衬底支撑;所述硅基沟道连接到源极与漏极,并分离所述源极与所述漏极;量子点层,其沉积于所述硅基沟道的顶部上,所述量子点层和所述硅基衬底与硅基沟道以相反方式掺杂。
在实施方案中,可提供一种光电侦测器,其使用在所述硅:量子点异质界面处产生的所述光电压以检测电磁辐射。在一些方面,所述量子点层对不同于所述硅层的波长下的电磁辐射敏感。在一些方面,可以在长于~1100nm的波长下检测电磁辐射。在所述光电检测器的实现方式中,结合由所述硅装置提供的高跨导,所述光电压提供高增益(例如,1500nm下>104个电子/光子)、快速时间响应(例如,<10μs)和可广泛调谐的光谱响应。所述PVFET在1500nm波长下比现有IR增敏硅检测器示出高5倍的响应度。所述增敏使用室温溶液工艺来实现,并且不依赖于传统的高温外延生长半导体,如锗和III-V族化合物。我们的研究结果首次将胶体量子点证明为对于硅基红外探测是有效平台。
在实施方案中,可提供一种光电侦测器,其使用在硅:量子点异质界面处产生的所述光电压以检测一或多个离散波长下的电磁辐射。在所述实施方案中,提供用于接收电磁辐射的量子点层,并提供在所述量子点层接受到所述所述一或多个离散波长下的电磁辐射时改变电导率的硅传输层。在一方面,所述量子点层包括对离散波长下的电磁辐射敏感的量子点。在一方面,所述量子点层包括对两个或更多个离散波长下的电磁辐射敏感的量子点。在一方面,所述量子点层包括对一或多个离散电磁辐射波长敏感的量子点,所述离散波长不同于可由硅检测到的波长。
附图说明
结合附图,其他特征和优点将从以下详细描述显而易见,在附图中:
图1是示出PVFET的实施方案的横截面图。
图2A示出Si:CQD PVFET的三维模型的实施方案。
图2B是图2A的模型的侧截面示意图。
图3A和图3B是PVFET的实施方案的侧截面图模拟。
图4A是示出PVFET的实施方案的横向能带图的曲线图。
图4B是示出跨越示例性PVFET实施方案的深度(Y)评估的空穴密度的曲线图。
图5A是增益与暗电流的曲线图,其比较示例性PVFET模型的性能与示例性PVFET模型的模拟。
图5B是二极管、光电FET(基于CQD)、光电导体(基于CQD)和PVFET的实施方案的增益×BW乘积的曲线图。
图5c是比较光电FET与PVFET和二极管的性能的增益与频率(带宽)的曲线图。
图6A示出反向饱和的不同值的响应度的曲线图。
图6B示出不同数目个陷阱的响应度的曲线图。
图6C和6D是示出分析模型中使用的变量的示意图。
图7A是比较黑硅光电检测器、硅光电检测器与PVFET的实施方案的增益与波长的曲线图。
图7B是响应度与入射功率的曲线图,其示出如与实验结果比较的PVFET的分析模型的结果。
图7C是示出依据栅极和漏极-源极偏压而变响应度的热图。
图8A、图8B和图8C是示出PVFET的实施方案的响应时间的信号与时间的曲线图。
图9A和图9B是示出PVFET的实施方案的噪声性能的曲线图。
图10是比较各种光电检测器的品质因数的条形图。
应注意,在整个附图中,相同部分用相同附图标记标识。
具体实施方式
本申请的实施方案涉及纳米半导体增敏介质与单晶传输沟道的组合。使用胶体量子点增敏介质来提供具体实施示例。CQD增敏介质的示例仅是示例性的并且旨在是非限制性的。涵盖了将其他多晶和/或纳米半导体,更一般地包括量子点,用作增敏介质。本发明旨在由所附权利要求和其等效物的范围限定。
在本申请中,术语“光”用作特定实施方案的描述,并且不旨在将本发明限制于可见光。基于增敏介质的带隙,本发明涵盖其他波长下的电磁辐射的实现方式,包括但不限于近红外、远红外、紫外、x射线等。
图1示出呈光电压调制场效应晶体管(PVFET)形式的新颖光电检测器1的代表性掺杂分布和结构。光电检测器由被构造用于以实验方式验证光电检测器的实施方案的以下各项组成:增敏介质5、传输沟道20、衬底半导体(栅极)25、源极30、漏极35。传输沟道20具有第一掺杂类型并夹在第二掺杂类型的衬底半导体(栅极)25与增敏介质5之间。在所述实施方案中,传输沟道20支撑增敏介质5、正触点32和负触点37并且与其接触。在此示例中,衬底半导体25和增敏介质5是n型掺杂的,且传输沟道20是p型掺杂的。如将理解,在其他实施方案中,衬底半导体25和增敏介质5可以是p型掺杂的,且传输沟道20可以是n型掺杂的。
过渡层22将n型衬底25与p型传输沟道20分离。如将理解,图1是掺杂分布的简化草图,且在实践中,掺杂浓度将从n型平滑地变化到p型,其中过渡层22划分从n型到p型的切换。
在此示例中,代表性活动水平在图例中指示,但不旨在是限制性的。在此示例中,栅极25包括n型硅半导体,且传输沟道20包括p型硅半导体。金属10触点是铝硅(AlSi),且绝缘层15是氮化硅(SiN)。如上面所指示,可使用其他已知的半导体材料。
正触点32提供传输沟道20与源极30之间的电接触。负触点37提供传输沟道20与漏极35之间的电接触。正触点32和负触点37位于传输沟道20的相对端处并包围增敏介质5。因此,传输沟道20与增敏介质5形成半导体:半导体异质结。在一些实施方案中,增敏介质5可包括至少一个纳米半导体。在一些实施方案中,增敏介质5可包括至少一个量子点。在一些实施方案中,增敏介质5可包括单晶结构,而增敏介质5包括多晶结构。
在图1的实施方案中,光电检测器1可被构造成具有许多有用的特性,这取决于对增敏介质5和传输沟道20的选择。举例来说,增敏介质5可被选择为具有与下方传输沟道20的光学性质不同的有益光学性质。
在一些实施方案中,增敏介质5适于接收例如光的电磁辐射,从而与传输沟道20形成结。传输沟道20适于响应于通过增敏介质5接收到电磁辐射而展现电导率改变。在一些实现方式中,电导率改变与由增敏介质5接收到的电磁辐射的量成比例。
在一些实施方案中,增敏介质5被选择为相比于传输沟道20对至少一个不同电磁辐射波长敏感。
在一些实施方案中,增敏介质5与传输沟道20具有不同带隙。
在一些实施方案中,增敏介质5与传输沟道20具有不同光谱灵敏度。
在一些实施方案中,增敏介质5跨越一或多个电磁辐射波长比传输沟道20具有更大的吸收系数。在一些实现方式中,增敏介质5的增敏介质吸收系数是传输沟道20的传输沟道吸收系数的至少两倍。在一些实现方式中,增敏介质吸收系数是传输沟道吸收系数的至少三倍大。在一些实现方式中,增敏介质吸收系数是传输沟道吸收系数的至少五倍大。
在一些实施方案中,增敏介质5在较低电磁辐射波长下具有比传输沟道20的传输沟道吸收系数更大的增敏介质吸收系数。
在一些实施方案中,增敏介质5在较高电磁辐射波长下具有比传输沟道20的传输沟道吸收系数更大的吸收系数。
在一些实施方案中,增敏介质是包括至少一个半导体量子点的固体膜。
在一些实施方案中,增敏介质5与传输沟道20之间的电子和/或空穴迁移率(即,跨越半导体:半导体异质结的电子和/或空穴迁移率)较低。在这些实施方案中,落在增敏介质5上的光调制增敏介质5与衬底25之间的内置电位,从而影响正触点32与负触点37之间的传输沟道20的电导率。
在一些实施方案中,在正接触32与负接触37之间施加偏压,且其中可通过在正接触32与负接触37之间流动的电流来测量传输沟道的电导率。
在一些实施方案中,光电检测器1还可包括与正触点32和负触点37中的至少一个电连通的积分器。积分器用于在一定时间段内对在正触点32和负触点37之间流动的电流进行积分。积分电流在所述时间段内产生增敏介质5中的光生速率的测量值。
在实施方案中,提出呈Si:CQD PVFET形式的光电检测器1,其中例如CQD层等增敏介质5在Si:CQD界面处与下方的硅基栅极25相遇。光电检测器利用在Si:CQD界面处产生的光电压来控制结静电。因此,入射于CQD层上的光调制硅沟道的电导率,且因此与入射亚硅带隙电磁辐射成比例地调制增敏介质与衬底之间的内置电位。
在示例性实现方式中,增敏介质5包括CQD层,可选择所述CQD层使得Si:CQD PVFET在IR(1300nm和1500nm)下示出超过104A/W的高响应度,具有快于10μs的响应速度,和/或对于VGS=0到3V是10-1到101A/cm2的暗电流密度。
参考图2A,示出光电检测器100的三维模型的实施方案。在图2A的所述实施方案中,光电检测器包括与增敏介质电接触的半导体:半导体异质结。在图2A的实施方案中,示出Si:CQD PVFET光电检测器100,其中增敏介质包括CQD层105。在所述实施方案中,呈第一掺杂类型形式的传输沟道120(在此示例中是轻微p型硅沟道)外延生长于第二掺杂类型的充当栅极125的硅衬底半导体(在此示例中是n+硅衬底半导体)上。传输沟道120与源极130和漏极135接触。CQD层105与栅极125具有相同掺杂剂类型(即,第二掺杂剂类型)。
在图2A的实施方案中,源极130和漏极135均由囊封有绝缘层115的金属接触110组成。举例来说,金属触点110可以包括铝,且绝缘层115可以包括氮化硅(SiN),但是可以使用半导体制造中已知的其他金属和绝缘体。
返回参考图2A,薄n掺杂的CQD层105沉积于硅传输沟道120的顶部上,从而形成IR光敏栅极。源极130和漏极130可涂覆有绝缘层115,以与CQD层105电隔离。在此实施方案中,源极130和漏极135覆盖有厚绝缘氮化硅层,以防止光栅与铝之间的电接触。
如将理解,虽然在此示例性实施方案中p型传输沟道120夹在n型衬底125与n型CQD层105之间,但还可以考虑相反结构,其中n型传输沟道夹在p型衬底与p型CQD层之间。
注意用于将CQD层105沉积到硅基传输沟道120上的构件对于Si:CQD PVFET光电检测器100的有效操作是重要的。整流Si:CQD结依赖于钝化表面陷阱并提供两个半导体之间的能量对准。因此,为了最优整流异质结效率,应在制造期间采取异质界面钝化的步骤。
参考图2B,呈现图2A的三维模型的简化侧截面示意图。在所述方面,示出源极与漏极之间的-2V偏压。
图3A和图3B是PVFET的实施方案的侧截面图TCAD,其示出装置的工作原理。对于此实施方案,在使用1300nm入射辐射(图3A)进行光学照射后,即刻在CQD层305内排他地产生光载流子。CQD层305中的光载流子的产生通过光伏效应在Si:CQD界面处产生调制PVFET的内置电位的光电压——虽然其采用不同结构,但在太阳能电池组中产生开路电压的相同效果。在PVFET中,通过光电压对内置电位的调制产生有效偏压,所述偏压使耗尽区收缩并由此增大传输沟道中的未耗尽区的范围。
图3B提供黑暗条件下和1300nm光照射下比较硅传输沟道中的空穴密度(多数载流子)的示例性比较图示。光信号产生光电压,从而导致硅沟道内耗尽区收缩;这导致未耗尽区域320中的空穴密度增大,并因此导致源极330和漏极335之间的沟道电导率增加。图3B的图示是基于上文在图2A中描述的PVFET实施方案,其中所述示例使用呈1300nm光形式的电磁辐射。
图4A是示出PVFET的实施方案的横向能带图的曲线图。在此实施方案中,薄(1.6μm)硅p层夹在两个n型整流结之间,且因此在平衡下(在黑暗中)耗尽。图4A曲线图示出在黑暗条件下和在1300nm光照射下跨越示例性PVFET实施方案的深度(Y)的能级(eV)。
图4B是示出在平衡(暗)条件下和在1300nm光照射下跨越图2A的示例性PVFET实施方案的深度(Y)评估的空穴密度的曲线图。如所示出,与暗平衡相比,沟道中的空穴密度在照明下强烈增加。
在本申请中,遵循使用光敏区域以计算电流密度和例如检测率D*等其他品质因数的标准实践。重要的是要在(光电)FET中考虑可使用额外线性尺寸缩放定律:暗电流将按W/L(沟道宽度/沟道长度)进行缩放,这是必须考虑的重要设计参数。
我们分析PVFET的操作以进一步解释控制其行为的物理机制并将其性能,与其他光电检测器架构的性能进行比较。
图5A是增益与暗电流的曲线图,如相比于示例性PVFET的数值TCAD模拟(实线)的,其使用分析模型(虚线)来比较图2A的示例性PVFET的性能。还在图5A中出于比较目的而呈现依据PVFET、光电二极管、光电导体和光电FET的暗电流而变的增益。
图5A是基于以下模型假设而绘制的:
光电导体/光电FET:
V=(10-3-103)V
q=1.6×10-19
NA=1016cm-3
μ=0.01cm2/Vs(对于CQD固体是典型的)
d=5×10-6m(沟道长度)
t=300×10-9m(CQD固体的典型厚度)
W=10-3m(沟道宽度)
τl=10-4s
ρ=(q×NA×μ)-1
τt=d2/(μ×V);
增益=τl./τt;
I=V/(ρ×d/(t×W))(暗电流)
PVFET:
q=1.6×10-19C
μ=6×102cm2/Vs;
K=1.38×10-23m2kg s-2K-1
T=300K
W=10-3m;
t=0.95×10-6m
d=5×10-6m
Vbi=1V(内置电压)
eps=12×8.854×10-12F/m
NA=[1,1.5,1.7,2,2.5,2.7,3,3.5,4]×1016cm-3
Io=10-11A(二极管反向饱和电流)
h=6.6×10-34m2Kg/s
f=2.3×1014Hz(光学频率)
Popt=10-4×W×d
Iph=q×P/(h×f);
Vph=(K×T/q)×log(Iph/Io+1)
Vpo=q×NA×t2/(2×eps)(夹断电压)
Go=q×NA×μ×t×W/d
gm=Go×(1-(Vbi/Vpo)1/2)
增益=hν/q×gm×Vph/Popt
使用与此模型中使用的相同参数,利用Synopsys Sentaurus计算I暗。
由于控制这些装置的增益机制是相同的:陷阱辅助光电导率,因此一起处理光电导体和光电导体(即先前开发的基于CQD的光电晶体管)。二极管不产生增益,如由图5A中的水平线所示出。基于陷阱辅助光电导率的光电导体和光电FET在增益与暗电流(ID)之间具有线性关系:光电导增益=τl/τt,其中τl是陷阱寿命,且τt是沟道内的通行时间。通过减少通行时间,即通过使用高迁移率沟道(例如,石墨烯),可增加增益;然而,这增加了ID。
在PVFET中,通过调谐硅基沟道的掺杂来调整增益。栅极的效应允许在低暗电流下获得高增益。PVFET产生的增益是hν/q×Vph×gm/Popt,其中h是普朗克常数,ν是光学频率,q是元素电荷,Vph是光电压,Popt是入射光学功率,且gm是PVFET的定义为的跨导。此分析模型已与完全自洽的数值模拟(TCAD)进行比较,并且尤其在高电流下得到良好的一致性。然而,如图5A中示出,分析模型不会准确地捕获亚阈值状态,因为模拟与模型之间存在偏差。
参考图5B,呈现比较光电导体与PVFET和二极管的性能的增益与频率(带宽“BW”)的曲线图。虽然在光电导体/光电晶体管中,响应时间以增益为代价而增加,但是对于PVFET,增益与频率成正比。
图5B是基于以下模型假设而绘制的:
光电导体/光电FET:
增益=τl/τt
频率=1/τl
τt=10-9s(通行时间=d2/Vμ,其中d=5μm,V=1V,μ=250cm2/Vs)
τl=(10-8到10-3)s
PVFET:
增益=hν/q×gm×Vph/Popt
gm=(10-7到10-2)ohm-1
Vph=0.5V
CTOT=10-11F(NA的结电容=5×105cm-3,ND=1019cm-3,电面积=35μm)
基于光电压和跨导的增益与光电导增益不同。它可同时实现高信号放大和快速响应。虽然光电导体和光电导体的速度受到τl的限制并依赖于陷阱来产生增益,但PVFET的带宽替代地由总电容确定,从而产生带宽f=gm/CTOT。从图5B中可见,虽然在光电导体/光电导体中以牺牲速度为代价产生增益(CQD光电极通常限于0.001到1s范围内的响应时间,因为需要高τl值),但在PVFET中,高增益(高gm)产生快速响应时间。
此增益机制允许大增益×带宽乘积。参考图5C,呈现二极管、光电FET(基于CQD)、光电导体(基于CQD)和PVFET的实施方案的增益×BW乘积的曲线图。报告了Si:CQD PVFET的实验结果和理论限制,如图5C中示出。发明人已经在实验上观察到104×105 1/s的增益×带宽乘积,且在图5B中使用上述增益和带宽模型来示出此值原则上可朝向105×108 1/s进一步增大。
PVFET的性能很大程度上取决于Si:CQD整流结的质量,并最终取决于理想上不含陷阱和缺陷的异质界面的质量。在图6A和图6B中使用TCAD Sentaurus装置模拟来示出界面陷阱对PVFET的响应度的影响。图6A是示出对于Si:CQD异质界面Io的反向饱和电流的不同值的响应度(使用上述分析模型)的曲线图。减小Io,即改善结的整流因子,使响应度增加3个数量级。图6B是示出从Sentaurus装置模拟产生的PVFET的响应度的曲线图。在图6B的模拟中,在Si:CQD界面处引入陷阱(Nt,陷阱是离中间间隙2的0.2处定位的受主),且计算增益。与图6A一致,响应度对界面陷阱的数目敏感。
通过结的整流比确定在异质结界面处产生的光电压——如同依赖于光伏效应的太阳能电池组。因此,最小化结的反向饱和电流是重要的。
参考图6C,可以分析方式模拟PVFET(电学上是JFET)的暗响应。
在VDS→0(远小于夹断电压)的情况下,将得到:
沟道中的电导是:
其中w是耗尽区的范围。因此,IDS可写成:
其中耗尽区的表达式是:
Va是施加到结的偏压,即VGS。因此获得:
其中
在阈值下,电压可写成:
Vbi-VT=Vpo
其中Vpo是夹断电压。
参考图6D,装置的更真实的图片考虑VDS的影响,使得w随x坐标改变(即w(x)):
因此,沟道电阻将是:
因此,可写成:
因为:
代入先前方程式:
使用以下条件来将在0与L之间对所述表达式进行积分:
获得:
是
定义
且
得到
这对以下有效
最后对于
VDS=VDS(Sat)=(Vpo-Vbi)+VGS
通过相对于VGS和VDS→0导出IDS的表达式,在线性区域中获得gm
使用IDS(Sat)的表达式,将在线性区域产生gm的表达式:
可通过评估在Si:CQD异质结处产生的光电压Vph来以分析方式模拟PVFET的光响应。Vph计算如下:
其中k是玻尔兹曼常数,T是温度,q是元素电荷,I光是将在结处产生的光电流,且Io是反向饱和电流。
因此,PVFET的光电流是:
IDS光电=gm×Vph
PVFET通过跨导将光电压信号转换为光电流,所述跨导在结晶体管中也取决于异质结的质量。必须设计高度整流、无陷阱的异质界面以生产高效PVFET。此方法基于CQD而将该装置与先前报道的光电FET区分开:在这些现有技术装置中,增益来自陷阱辅助光电导,也就是说,由光电晶体管的CQD膜提供的陷阱有关于在高迁移性沟道(例如,石墨烯、MoS2)中再循环的光电载体的长寿命。这产生增益=τl_CQD/τt_沟道(CQD陷阱寿命/沟道中的通行时间)。因此,与PVFET的晶体管效应相反,光电FET不需要整流光栅,且其增益来自光电导效应。
实验示例
制造Si:CQDs PVFET的实施方案并表征其性能。
图7A是依据入射光波长而变的增益的曲线图,其示出Si:CQD PVFET光电检测器的光谱响应(对于在1300和1500nm下吸收的光栅)。Si:CQD PVFET被偏压为VGS=0V且VDS=2V(实线)和3V(虚线)。在图7A的上下文中,增益被定义为外部量子效率=光载流子/入射光子。PVFET的制造实施方案在激子处产生~6×104的增益。激子峰(在1300和1500nm下)是CQD固体的特性,且其能量由量子限制的影响确定,更大的空间限制增大CQD固体的有效带隙。图7A还包括用于纯Si PVFET(即,具有硅基增敏介质的光电检测器,而不是作为增敏介质的CQD)以及用于比较的黑硅光电检测器的曲线图。在1100nm下,纯硅PVFET的灵敏度在硅的带隙之外消失。由于CQD光栅在这些较长波长下吸收度较高,因此CQD PVFET的增益保持较高。如图7A中指示,相比于黑硅光电检测器,CQD PVFET实施方案在IR波长下的响应度方面具有105的优势。
图7B示出依据入射光功率而变的在1300nm下的PVFET响应度。使用计算跨导增益(增益=hν/q×Vph×gm/P)的分析模型(虚线)来拟合实验测量值(方波)。
低强度下104的增益开始在~2×10-5W/cm2附近下降。图7B还包括基于上述分析模型的预测模型响应,其中根据公式响应度=gm×Vph/Popt而计算响应度。如所示出,PVFET在高照明下展现增益压缩,从而需要离线非线性校正,而且能够增加动态范围。
图7C示出依据VGS和VDS偏压而变的在1300nm照射下的PVFET的响应度。响应度遵循相同趋势,对于度高于饱和电压(~2V)的VDS饱和,并在高VGS(闭合沟道)下消失。如所示出,响应度对于VGS>2V饱和,从而对应于晶体管的饱和电压(对于高于饱和电压的电压,跨导gm保持恒定),且消失来增大栅极电压VGS。正VGS使沟道闭合(完全耗尽),从而大幅降低gm 20,其中Go是装置的常数,Vbi是结的内置电压,且Vpo是PVFET的夹断电压。
图8A和图8B示出PVFET对方波输入信号的响应。曲线图示出信号的快速下降沿和上升沿(10μs)。时间响应的此组成部分与感测和成像兼容,从而解决广泛范围的消费者应用。PVFET比传统的基于CQD的光电导体(~100ms)示出快得多的响应时间。在实验制造的PVFET中还可以看到可归因于高掺杂硅衬底中的缺陷态以及CQD体和界面的较慢尾部。移除这些电子状态可使PVFET在1GHz方向上增加(由gm/CTOT引起的限制),这可与光电二极管相竞争并实现例如飞行时间感测和机器视觉等应用。
图8C是比较从实验Si:CQD PVFET和纯硅PVFET获得的信号的曲线图。表示对100kHz激励的响应的两个波形是类似的,Si:CQD PVFET呈现略微更尖锐的边沿。值得注意的是,添加CQD层不会影响硅装置的瞬态响应:它保持其原始速度,与PVFET增益机制不依赖于陷阱的记忆效应这一事实一致。
图9A和图9B是比较纯硅PVFET与Si:CQD PVFET光电检测器的曲线图。在曲线图中,依据频率而绘制PVFET光电检测器的噪声性能。如所示出,在低频(~100kHz下的角频率)下存在闪烁噪声,且在高频下存在接近于散粒噪声限制的平台。图9A和图9B还指示,如相比于硅结构,CQD光栅不会引入额外噪声。测量噪声电流并测量检测率D*=1.8×1012琼斯。
图10是比较Si:CQD PVFET光电检测器与现有CQD检测器的品质因数F的条形图。如果定义了考虑响应、响应速度和暗电流的品质因数F,F=增益×BW/JD 1/2=D*×BW,则Si:CQDPVFET比先前呈现的基于CQD的检测器优至少一个数量级。传统基于CQD的光电导体和光电导体由于缺乏带宽而表现优异;具有较低ID的CQD二极管缺乏响应度,并因此相比于PVFET呈现较低F。
实验性Si:CQD PVFET示出高增益,包括超过104的红外(波长>1500nm)、高速(100kHz);和所含暗电流(10-1到101A/cm2)。可通过使用先进的硅处理来进一步提高此性能。本文中报道的进展只有通过设计将硅电子技术的优势与胶体量子点的新兴潜力相结合的架构才有可能实现。它利用基于光伏效应结合跨导增益的检测机制。
示例
PVFET制造。使用标准VLSI工艺来制造硅JFET。在硅衬底(300μm,磷浓度>1019cm-3)上生长1.6μm外延硅层(硼浓度~5×1015cm-3)。使用离子植入和铝触点的光刻图案化(沟道长度=5μm,沟道宽度=1mm)来在外延沟道上限定源极和漏极。源极和漏极连续地用厚的(>100nm)氮化硅层覆盖。接着使用丙酮和异丙醇清洁硅表面,并通过使用在水中稀释的缓冲氧化物蚀刻剂(BOE)(1:10)来移除天然表面氧化物。紧接着,使用紫外线辐射来使表面暴露于CH3I,以促进惰性氮气氛中的反应。最后,使用手套箱内的逐层旋涂来沉积薄CQD层(~80nm)。在先前报道的规定程序之后,使用TBAI来以固态处理CQD。
CQD合成。将TMS(双(三甲基甲硅烷基)硫化物)(0.18g,1mol)添加到ODE(1-十八烯)(10mL)中,使其干燥并在80℃下脱气。在Ar下,将油酸(1.34g,4.8mmol),PbO(0.45g,2.0mmol)与ODE(14.2g,56.2mmol)的混合物在真空下加热到95℃。将烧瓶加热到125℃的温度并注入TMS/ODE混合物。接着将温度降到≈95℃并将烧瓶冷却到36℃。用丙酮(50mL)沉淀纳米晶体并使其离心分离。在甲苯中重新分散沉淀物。用丙酮(20mL)再次沉淀纳米晶体,使其离心分离(5分钟),并接着在甲苯(≈350mg mL-1)中分散。接着用甲醇沉淀量子点并使其在真空下干燥。接着在甲苯(100mg mL-1)中重新分散量子点。通过从溶液中沉淀(使用甲醇)并重新分散于辛烷(50mg mL-1)中来获得最终材料加工中使用的溶液。
TCAD模拟。使用Synopsys Sentaurus TCAD来进行数值模拟。此软件已用于硅工艺(Sentaurus工艺)的设计以及PVFET(Sentaurus装置)的模拟和分析。
响应度。使用SRS 830锁相放大器来测量响应度。通过使用单色器与机械斩波器(频率=20Hz)的组合来提供经时间调制的光谱选择的光信号。使用Newport 1830功率计来测量入射功率。使用光圈来控制入射光。通过将光功率密度积分于检测器有效区域上来限定入射功率。使用两个keithley 2400源表来使PVFET偏压。使用SRS570电流放大器来放大锁定输入处的信号。所述装置在大气条件下保持在受屏蔽的黑暗环境中。
噪声电流测量。使用SRS 830锁相放大器来测量噪声电流。使用Keithley 2400源表来使所述装置偏压。所述装置保持在受屏蔽的暗箱中。
时间响应。使用Agilent Infiniium数字示波器来获取时间响应。使用LED(λ=450nm,入射功率~1μW)来提供光激励。使用两个Keithley 2400源表来使所述装置偏压(VDS=2.5V,VGS=0V)。
数据可获得性。本研究获得的数据可在以下网址获得:doi:10.5061/dryad.s0k3h
尽管本申请描述了具体特征和实施方案,但显然可以在不脱离本发明的情况下对其进行各种修改和组合。因此,说明书和附图应简单地被视为由所附权利要求限定的说明,并预期涵盖落入那些权利要求范围内的任何和所有修改、变化、组合或等效物。
Claims (29)
1.一种光电检测器,其包括:
传输沟道,其由第一掺杂类型的第一半导体组成,所述传输沟道夹在增敏介质与衬底半导体之间;
所述增敏介质由第二掺杂类型的第二半导体组成;且
所述衬底半导体具有所述第二掺杂类型;
其中照明所述增敏介质会调制所述增敏介质与所述衬底之间的内置电位,并引发所述传输沟道的电导率改变。
2.一种光电检测器,其包括:
衬底半导体;
衬底,其支撑所述传输沟道半导体并且与其接触;
所述传输沟道支撑增敏介质半导体、正触点和负触点,并且与其接触;
所述正触点位于所述传输沟道的与所述负触点相对的一端处,并包围所述增敏介质;且
其中所述传输沟道与所述增敏介质形成半导体:半导体异质结。
3.根据权利要求2所述的光电检测器,其中所述增敏介质包括至少一个纳米半导体。
4.根据权利要求3所述的光电检测器,其中所述增敏介质包括至少一个量子点。
5.根据权利要求2、3或4所述的光电检测器,其中所述传输沟道包括单晶结构,且其中所述增敏介质包括多晶结构。
6.根据权利要求2到5中任一项所述的光电检测器,其中跨越所述半导体:半导体异质结的电子和/或空穴迁移率较低。
7.根据权利要求2到6中任一项所述的光电检测器,其中所述增敏介质与所述传输沟道具有不同带隙。
8.根据权利要求2到7中任一项所述的光电检测器,其中所述增敏介质与所述传输沟道具有不同光谱灵敏度。
9.根据权利要求2到8中任一项所述的光电检测器,其中跨越一或多个电磁辐射波长,所述增敏介质具有比所述传输沟道的传输沟道吸收系数更大的增敏介质吸收系数。
10.如权利要求9所述的光电检测器,其中所述增敏介质吸收系数是所述传输沟道吸收系数的至少两倍。
11.根据权利要求10所述的光电检测器,其中所述吸收系数是至少三倍大。
12.根据权利要求10所述的光电检测器,其中所述吸收系数是至少五倍大。
13.根据权利要求2到12中任一项所述的光电检测器,其中所述增敏介质在较低电磁辐射波长下比所述传输沟道具有更大的吸收系数。
14.根据权利要求2到12中任一项所述的光电检测器,其中所述增敏介质在较高电磁辐射波长下比所述传输沟道具有更大的吸收系数。
15.根据权利要求2到4中任一项所述的光电检测器,其中将偏压施加到所述正触点和所述负触点,且其中可通过在所述正触点与所述负触点之间流动的电流来测量所述传输沟道的电导率。
16.根据权利要求15所述的光电检测器,其还包括积分器,所述积分器用于在一定时间段内对在所述正触点和所述负触点之间流动的所述电流进行积分,以产生所述时间段内的光生速率的测量值。
17.根据权利要求1到16中任一项所述的光电检测器,其中所述传输沟道包括第一掺杂类型的半导体,且其中所述增敏介质和所述衬底包括第二掺杂类型的半导体。
18.根据权利要求1到17中任一项所述的光电检测器,其中所述传输沟道包括n型半导体,且其中所述增敏介质和所述衬底包括p型半导体。
19.根据权利要求1到17中任一项所述的光电检测器,其中所述传输沟道包括p型半导体,且其中所述增敏介质和所述衬底包括n型半导体。
20.根据权利要求1到19中任一项所述的光电检测器,其中所述增敏介质包括固体膜,所述固体膜包括至少一个半导体量子点。
21.一种光电检测器,其包括:
硅基沟道,其由硅基衬底支撑;
所述硅基沟道连接到源极与漏极,并分离所述源极与所述漏极;
量子点层,其沉积于所述硅基沟道的顶部上,所述量子点层和所述硅基衬底与所述硅基沟道以相反方式掺杂。
22.根据权利要求21所述的光电检测器,其中所述硅基沟道是p型,且其中所述量子点层和所述硅基衬底是n型。
23.根据权利要求21所述的光电检测器,其中所述硅基沟道是n型,且其中所述量子点层和所述硅基衬底是p型。
24.一种光电检测器,其包括:
量子点层,其适于接收入射电磁辐射;
硅基沟道,其与硅基衬底和所述量子点层接触且夹在所述硅基衬底与所述量子点层之间;
其中使所述量子点层暴露于入射电磁辐射会在所述量子点层和所述硅基沟道之间产生光电压,从而增加所述硅基沟道的电导率。
25.根据权利要求4所述的光电检测器,其中所述量子点层适于响应于接收到与所述硅基沟道具有不同波长的入射电磁辐射而产生所述光电压。
26.根据权利要求4所述的光电检测器,其中所述量子点层适于响应于接收到波长大于1100nm的入射电磁辐射而产生所述光电压。
27.一种光电检测器,其包括:
增敏介质,其适于接收电磁辐射,从而与传输沟道形成结,其中所述传输沟道适于响应于所述增敏介质接收到电磁辐射而展现电导率改变。
28.根据权利要求27所述的光电检测器,其中所述电导率改变与由所述增敏介质接收到的电磁辐射的量成比例。
29.根据权利要求27或28所述的光电检测器,其中所述增敏介质对与所述传输沟道不同的至少一个电磁辐射波长敏感。
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