近日，我校微电子学院先进半导体器件与光电集成团队在多种新型光电探测器领域取得一系列进展。相关成果在微电子器件领域的重要期刊IEEE Transactions on Electron Devices上连续发表。
波长传感器是一种能够以定量方式区分不同波长的光电子器件。作为图像传感器的补充，波长传感器，因其在安防监护、自动驾驶、和遥感等技术上的广泛应用而倍受关注。但是多数无滤波辅助的波长传感器存在光谱区分范围较窄或波长分辨率低等问题。针对这个问题，上述团队提出了一种具有简易结构的波长传感器，是由两个相同的肖特基结光电探测器组成（图1a）。通过两个光电器件的光电流比与波长之间存在的单调函数关系可以定量计算出入射光的波长（图1b-c）。最终测试表明，波长传感器能够区分紫外到近红外（265-1050 nm）范围内的波长。特别是，在450-900 nm的波长范围内，波长分辨率可达~1 nm（图1d）。研究成果以“A UV to NIR Si Wavelength Sensor With Simple Geometry and Good Resolution”为题发表在IEEE Transactions on Electron Devices（2022,69, 2457-2461）。第一作者为我校微电子学院博士生付灿，罗林保教授为通讯作者。
图1.波长传感器结构原理图及测试结果
不仅如此，针对光电导型光电探测器存在暗电流较大和响应速度较慢等问题。为系统优化光电导型光电探测器的性能，上述团队通过纳米压印技术，在GaAs基底上形成周期性层状钙钛矿光栅阵列（G-PVK）结构（图2b），并构建了钙钛矿光栅增强型GaAs基光电探测器（图2a）。由于GaAs和G-PVK间内建电场促进载流子的有效分离，GaAs表面电子被耗尽，降低了器件的暗电流（图2c-d）。此外，衍射光栅良好的陷光效应，使得器件的响应度实现了显著提升。最终测试表明，该探测器在530 nm光照条件下的响应度为0.3 A W-1，比检测率为2.24×1010Jones，上升/下降时间为0.6/0.56 ms。与无钙钛矿光栅的平面GaAs基器件相比，暗电流被抑制了2个数量级，光响应提高了215%。该工作以“Grating perovskite enhanced polarization-sensitive GaAs-based photodetector”为题发表在IEEE Transactions on Electron Devices上（2022,69, 2469-2473）。微电子学院研究生曾斌为此工作主要完成人，吴春艳教授和罗林保教授为论文的共同通讯作者。
图2.光栅钙钛矿增强型GaAs光电探测器的原理图及相关工作机制
另外，多光谱光电探测器需要对目标探测波长具有窄带响应，但目前已报到的窄带探测机制很难进行探测波长的实时调控。为解决这个问题，该团队还提出了一种具有紫外和近红外窄带探测能力、波长实时可调的多光谱光电探测器。该器件由两个简单的Au/n-Si肖特基结构成（图3a）。根据结控电荷收集窄化原理（JCCN），此器件的光谱响应不仅由光敏层的光吸收特性决定，还受到肖特基结电荷收集特性的控制（图3b）。相关器件测试表明，当负响应峰和正响应峰分别接近紫外短波段和近红外长波段时，探测峰的半峰宽缩小至92和117 nm（图3c-d）。该工作以“Wavelength-Tunable Multispectral Photodetector with Both Ultraviolet and Near-Infrared Narrowband Detection Capability”为题于发表在IEEE Transactions on Electron Devices（2022,DOI:10.1109/TED.2022.3171501）。微电子学院研究生陈博瀚为论文工作的主要完成者，王莉副教授和罗林保教授为通讯作者。
图3.器件工作原理示意图及测试结果
上述三项研究均得到了国家自然科学基金、安徽省重点研发计划、中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。