Les détecteurs infrarouges sont les composants essentiels des systèmes de détection infrarouge et jouent un rôle important dans des domaines tels que la vision nocturne, la télédétection et la surveillance de la santé. Dans ce contexte, l’utilisation de technologies de silicium matures pour développer des détecteurs infrarouges miniaturisés, hautement intégrés et rentables devient une direction de recherche clé.
Cependant, la large bande interdite intrinsèque du silicium l’empêche de détecter la lumière infrarouge avec des longueurs d’onde supérieures à 1 100 nm, ce qui constitue un obstacle au développement d’une technologie de détection infrarouge basée sur le silicium.
Pour résoudre ce problème, une stratégie efficace et prometteuse consiste à combiner le silicium avec des matériaux sensibles aux infrarouges pour construire des photodétecteurs hybrides, élargissant ainsi la plage de réponse spectrale des dispositifs à base de silicium. Cependant, dans les conceptions existantes de photodiodes et de phototransistors à effet de champ, la structure planaire bidimensionnelle traditionnelle limite l’efficacité de transport du photoporteur et la capacité de modulation de la phototension, affectant ainsi les performances du dispositif.
Par conséquent, l’exploration et la conception de nouvelles architectures de dispositifs permettant d’obtenir une photoréponse à large bande et d’améliorer la sensibilité sont cruciales pour faire progresser la technologie de détection infrarouge à base de silicium.
Les chercheurs proposent maintenantdans Science opto-électroniqueun transistor à effet de champ à ailettes photo-piloté (photo-FinFET).
La conception du photo-FinFET s’inspire de la conception classique d’un dispositif microélectronique, le FinFET, qui étend le contrôle de la phototension d’un plan bidimensionnel à un espace tridimensionnel, réalisant ainsi une détection infrarouge à base de silicium avec une sensibilité élevée et une photoréponse à large bande.
La conception structurelle du photo-FinFET offre deux avantages : (i) elle exploite l’hétérojonction PbS-Si pour épuiser le canal, supprimant ainsi le courant d’obscurité. (ii) La phototension générée à l’interface PbS-Si peut moduler efficacement le canal, entraînant une photoréponse infrarouge substantielle.
Les résultats expérimentaux démontrent que le photo-FinFET atteint une large réponse spectrale allant de la lumière visible (635 nm) à l’infrarouge à ondes courtes (2 700 nm) à température ambiante, avec une vitesse de réponse rapide (150 μs). De plus, le faible courant d’obscurité permet au photo-FinFET de présenter des puissances de bruit équivalentes de 3,2 × 10-12 W·Hz-1/2 et 2,3 × 10-11 W·Hz-1/2 sous un éclairage de 1 550 nm et 2 700 nm, respectivement.
La conception de la porte à ailettes infrarouge permet au photo-FinFET non seulement de surmonter la limitation intrinsèque d’absorption de la lumière du silicium, mais également de présenter un faible courant d’obscurité et une photoréponse infrarouge à large bande à température ambiante.
De plus, le processus de fabrication du prototype est compatible avec les technologies CMOS à base de silicium, fournissant des méthodes prometteuses pour le développement de détecteurs infrarouges à base de silicium à faible coût, de faible consommation et de haute sensibilité.
Plus d’information:
Jintao Fu et al, Transistors à effet de champ à ailettes photo-pilotés, Science opto-électronique (2024). DOI : 10.29026/oes.2024.230046
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