像元微型化對(duì)于高分辨率短波紅外（SWIR）成像技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，尤其在遙感、消費(fèi)電子和便攜式平臺(tái)等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的外延光電二極管技術(shù)像元尺寸僅能達(dá)到約10 μm，且缺乏對(duì)短波紅外探測(cè)像元微型化極限的系統(tǒng)研究。與可見(jiàn)光成像技術(shù)相比，短波紅外成像主要基于外延銦鎵砷（InGaAs）光電二極管，這些器件需要晶格匹配的單晶襯底，并且與硅讀出集成電路（ROIC）進(jìn)行倒裝集成。當(dāng)像元間距低于5 μm時(shí)，橫向鋅摻雜擴(kuò)散會(huì)增加暗電流，倒裝集成也會(huì)引入對(duì)準(zhǔn)困難和產(chǎn)量損失等問(wèn)題。因此，現(xiàn)有的InGaAs成像器像元間距仍限制在約10 μm，遠(yuǎn)高于亞波長(zhǎng)尺寸。低維半導(dǎo)體材料（如溶液加工的硫化鉛量子點(diǎn)和碳納米管）因其獨(dú)特的摻雜策略和與硅平臺(tái)的優(yōu)異兼容性，為像元微型化提供了替代途徑。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，北京大學(xué)和北京交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)探索了碳納米管（CNT）薄膜異質(zhì)結(jié)門(mén)控場(chǎng)效應(yīng)晶體管（HGFET）探測(cè)器的像元微縮行為，并展示了亞波長(zhǎng)像元短波紅外探測(cè)器的可行性和性能提升。隨著像元從5.5 μm縮小到1.0 μm，HGFET探測(cè)器的主要性能指標(biāo)（特別是比探測(cè)率和響應(yīng)速度）顯著提高。具有0.65λ（約1.0 μm）亞波長(zhǎng)間距的HGFET探測(cè)器，在1300nm處比探測(cè)率超過(guò)101? cm·√Hz·W?1，上升/下降時(shí)間達(dá)132/148 μs。通過(guò)與硅基讀出電路的兼容性，亞波長(zhǎng)像元CNT HGFET陣列提供了可擴(kuò)展且具有成本效益的平臺(tái)，適用于下一代高分辨率短波紅外成像系統(tǒng)。相關(guān)研究成果以“Scaling Short-Wave Infrared Detector Pixels to Subwavelength Dimensions”為題發(fā)表在Advanced Materials期刊上。
這項(xiàng)研究從系統(tǒng)與器件兩個(gè)層面系統(tǒng)分析了像元微縮的物理極限與工程約束。圖1a展示了在短波紅外成像系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)像元微型化的需求，特別是在需要繞射極限分辨率的遙感領(lǐng)域。系統(tǒng)仿真表明，當(dāng)像元間距接近入射光波長(zhǎng)時(shí)，光學(xué)串?dāng)_顯著增強(qiáng)，明確了像元進(jìn)一步微縮所面臨的物理邊界；全波模擬了微透鏡陣列的像元間距極限，發(fā)現(xiàn)光學(xué)分辨率限制了像元間距的最小值為0.65λ（圖1b）。與面臨內(nèi)在微縮瓶頸的InGaAs及其他外延光電二極管不同，HGFET架構(gòu)能夠輕松支持接近衍射極限的像元尺寸且無(wú)材料或工藝的限制，因此HGFET在亞波長(zhǎng)像元和高分辨率短波紅外成像陣列的開(kāi)發(fā)中具有顯著潛力。
圖1 短波紅外成像中的像元微縮：系統(tǒng)與器件級(jí)需求及技術(shù)挑戰(zhàn)
研究人員首先探討光電解耦HGFET的像元微縮行為，制備了基于CNT薄膜的HGFET探測(cè)器，其核心結(jié)構(gòu)為垂直堆疊的PbS膠體量子點(diǎn)（CQD）/ZnO異質(zhì)結(jié)作為光活性層。通過(guò)調(diào)整源漏接觸的工作函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了p型FET傳輸特性；同時(shí)研究人員設(shè)計(jì)了從5.5 μm到1.0 μm的不同像元間距，以研究HGFET在不同尺寸下的性能演變。圖2展示了CNT HGFET結(jié)構(gòu)以及在1300 nm光照下光響應(yīng)特性。圖3展示了針對(duì)不同像元間距，CNT HGFET的響應(yīng)度、噪聲特性、比探測(cè)率及瞬態(tài)響應(yīng)。
圖2 CNT HGFET的器件結(jié)構(gòu)與在1300 nm光照下光響應(yīng)特性
圖3 CNT HGFET的響應(yīng)度、噪聲特性、比探測(cè)率及瞬態(tài)響應(yīng)
為了在微縮過(guò)程中解耦HGFET探測(cè)器中電學(xué)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）部分的貢獻(xiàn)，研究人員制備了雙柵極CNT HGFET，并進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，相關(guān)結(jié)果如圖4所示。研究結(jié)果表明，溝道縮短顯著提升了碳納米管晶體管的跨導(dǎo)，而噪聲增長(zhǎng)受到有效抑制，使器件在微縮尺度下仍能維持較高信噪比。
圖4 雙柵極CNT FET的電學(xué)性能及尺寸微縮分析
最后，研究人員為了評(píng)估像元微縮HGFET探測(cè)器的潛力，提出了基于商業(yè)90 nm硅基CMOS讀出電路的亞波長(zhǎng)像元短波紅外成像器的實(shí)際集成方案，相關(guān)結(jié)果如圖5所示。該研究為下一代高分辨率、高密度短波紅外成像系統(tǒng)提供了可行的技術(shù)路徑。
圖5 基于CNT HGFET的短波紅外成像的性能基準(zhǔn)測(cè)試與集成前景
https://doi.org/10.1002/adma.202517878
《短波紅外、中波紅外和制冷型紅外成像-2025版》
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