Forschung unterstreicht das Potenzial photoelektrischer Fin-Feldeffekttransistoren

Infrarotdetektoren sind die Kernkomponenten von Infrarot-Erkennungssystemen und spielen eine wichtige Rolle in Bereichen wie Nachtsicht, Fernerkundung und Gesundheitsüberwachung. In diesem Zusammenhang wird die Nutzung ausgereifter Siliziumtechnologien zur Entwicklung miniaturisierter, hochintegrierter und kostengünstiger Infrarotdetektoren zu einer wichtigen Forschungsrichtung.

Allerdings verhindert die inhärente große Bandlücke von Silizium die Erkennung von Infrarotlicht mit Wellenlängen über 1100 nm, was ein Hindernis für die Entwicklung siliziumbasierter Infrarot-Erkennungstechnologie darstellt.

Eine effektive und vielversprechende Strategie zur Lösung dieses Problems besteht darin, Silizium mit infrarotempfindlichen Materialien zu kombinieren, um hybride Fotodetektoren zu konstruieren und so den spektralen Reaktionsbereich von Geräten auf Siliziumbasis zu erweitern. Bei bestehenden Designs von Fotodioden und Feldeffekt-Fototransistoren begrenzt die traditionelle zweidimensionale planare Struktur jedoch die Transporteffizienz von Fototrägern und die Modulationsfähigkeit der Fotospannung, was sich auf die Geräteleistung auswirkt.

Daher sind die Erforschung und Entwicklung neuartiger Gerätearchitekturen zur Erzielung einer Breitband-Fotoreaktion und Verbesserung der Empfindlichkeit von entscheidender Bedeutung für die Weiterentwicklung der Infrarot-Erkennungstechnologie auf Siliziumbasis.

Forscher schlagen nun vorIn Optoelektronische Wissenschaftein photogesteuerter Fin-Feldeffekttransistor (Photo-FinFET).

Das Design des Photo-FinFET ist vom klassischen Design mikroelektronischer Geräte, dem FinFET, inspiriert, das die Steuerung der Photospannung von einer zweidimensionalen Ebene auf einen dreidimensionalen Raum ausdehnt und dadurch eine siliziumbasierte Infraroterkennung mit hoher Empfindlichkeit und breitbandiger Photoreaktion ermöglicht.

Der strukturelle Aufbau des Photo-FinFET bietet zwei Vorteile: (i) Er nutzt die PbS-Si-Heteroübergangsschicht, um den Kanal zu verarmen und so den Dunkelstrom zu unterdrücken. (ii) Die an der PbS-Si-Schnittstelle erzeugte Photospannung kann den Kanal effizient modulieren, was zu einer deutlichen Infrarot-Photoreaktion führt.

Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der Photo-FinFET bei Raumtemperatur eine breite spektrale Reaktion von sichtbarem Licht (635 nm) bis hin zu kurzwelligem Infrarot (2.700 nm) mit einer schnellen Reaktionsgeschwindigkeit (150 μs) erreicht. Darüber hinaus ermöglicht der niedrige Dunkelstrom dem Photo-FinFET, bei Beleuchtung mit 1.550 nm bzw. 2.700 nm äquivalente Rauschleistungen von 3,2×10-12 W·Hz-1/2 bzw. 2,3×10-11 W·Hz-1/2 zu zeigen.

Durch das Design des Infrarot-Fin-Gates überwindet der Photo-FinFET nicht nur die inhärente Lichtabsorptionsbeschränkung von Silizium, sondern weist auch bei Raumtemperatur einen niedrigen Dunkelstrom und eine breitbandige Infrarot-Fotoreaktion auf.

Darüber hinaus ist der Herstellungsprozess des Prototypgeräts mit siliziumbasierten CMOS-Technologien kompatibel und bietet vielversprechende Methoden für die Entwicklung kostengünstiger, stromsparender und hochempfindlicher Infrarotdetektoren auf Siliziumbasis.