紅外光電探測器在軍事與民用領域應用廣泛，覆蓋多光譜目標識別、夜視、遙感及環境監測等多個方向。為滿足高性能近紅外成像系統的需求，光電探測器需具備小型化、低能耗、高室溫靈敏度與快速響應等特性。目前，商用近紅外探測器以光電導型為主流架構。相較于光伏型探測器，光電導型器件具備光譜響應范圍寬、工作電流大、工藝簡單及使用便捷等優勢。然而，該類探測器也面臨窄帶隙紅外材料載流子濃度偏高、強光下弛豫時間較長等挑戰，導致傳統紅外光電晶體管在室溫下暗電流偏高、響應速度較慢。因此，開發能夠有效抑制暗電流并優化光響應的新型器件架構迫在眉睫。當前降低暗電流的主要策略包括降低器件工作電壓與構建異質結結構。然而，降低工作電壓會削弱光生載流子的漂移速度；而異質結界面缺陷態會嚴重影響電荷轉移效率。因此，亟需發展一種兼具低暗電流、快速響應與結構簡單的新型光電晶體管架構。
據麥姆斯咨詢報道，近日，北京科技大學張躍院士的研究團隊設計出一種自偏置空氣勢壘光電晶體管，該結構通過將漏端電極延伸為串聯柵極并形成空氣間隙，利用HfO?與空氣介電常數的差異，構建勢壘自適應同質結，可隨偏壓自適應調控二維碲烯光電晶體管的勢壘高度，從而有效抑制暗態下多數空穴載流子的輸運，顯著降低暗電流。在光照條件下，該結構不僅縮短了光生電子的傳輸路徑，提升響應速度，還通過光生空穴積累降低同質結勢壘，進一步提高光電流開關比。相較于傳統基于金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）光電晶體管，自偏置光電晶體管（SBPT）在暗電流、信噪比、比探測率及探測波段等方面均展現出顯著優勢。在短波紅外波段，二維碲烯基SBPT器件實現了亞1 nA的超低暗電流與7 μs/9 μs的超快響應速度的協同優化。基于該優異性能，研究團隊成功研制出碲烯基SBPT單像素原型成像器，實現了可見光至近紅外寬波段成像。尤為重要的是，該SBPT架構還被拓展至PdSe?、MoS?等其他二維材料體系，驗證了該架構在多種材料體系中的通用性。這項研究以“Self-Biased Phototransistor with Both Ultralow Dark Current and Fast Response”為題發表在Advanced Functional Materials期刊。
圖1系統展示了SBPT（圖1b）的設計思想及其相較傳統碲基MOSFET光電晶體管（圖1a）的結構與性能優勢。結果顯示，與傳統碲基MOSFET光電探測器相比，SBPT在保留高響應率、高比探測率優勢的基礎上，可以有效解決紅外光電探測器大暗電流、窄探測帶、低信噪比等瓶頸問題。
圖1 SBPT的設計理念與性能優勢
圖2重點展示了碲基SBPT的微結構表征及其光響應性能。結果顯示，碲基SBPT在低暗電流與快速響應方面實現了協同優化。
圖2 碲基SBPT與MOSFET的結構表征和光響應特性對比
接著，研究人員全面研究了碲基SBPT在暗態和激光照射下觀察到的低暗電流、高光電流通/關比、快速響應等顯著屬性的潛在機制。圖3深入揭示了碲基SBPT的工作機理與同質結勢壘調控機制。
圖3 碲基SBPT器件的光響應機制
研究人員系統比較了HfO?介質厚度對碲基SBPT勢壘特性與光響應性能的影響，相關結果如圖4所示。結果顯示，介質層厚度調控在實現低噪聲、高響應紅外探測中起著關鍵作用。
圖4 不同HfO?厚度下碲基SBPT器件的能帶結構和光響應特性對比
為了驗證SBPT架構是否可以廣泛應用于其他二維半導體材料，研究人員以二維直拉斯基（2DCZ）法生長的單層MoS?為溝道材料構建了MOSFET和SBPT器件，相關結果如圖5所示。結果表明，SBPT在不同材料體系下均可實現低暗電流與快速響應的性能優化，為跨材料光電器件設計提供了新范式。
圖5 單層MoS?基SBPT與MOSFET在520 nm激光下的光響應特性
最后，研究人員制作了基于碲基SBPT器件的單像素視覺近紅外成像儀，從而驗證碲基SBPT器件的圖像傳感能力，相關實驗設置及結果如圖6所示。結果表明，SBPT器件可實現高信噪比、快速響應的紅外成像探測，為低功耗高精度光電視覺系統奠定基礎。
圖6 碲基SBPT器件紅外單點成像應用
https://doi.org/10.1002/adfm.202510929
