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在光探测领域，传统光电探测器的灵敏度受多种因素限制，尤其是在探测弱光时面临挑战。研究人员围绕超弱红外光探测展开研究，设计出部分双栅黑磷通道的光隧穿晶体管。该晶体管降低了开启阈值功率，提升了探测性能，为低功耗光电子学开辟新路径。
在科技飞速发展的今天，光探测技术在众多领域都有着至关重要的应用，从日常的安防监控，到高端的航天遥感，再到前沿的生物医学成像，都离不开对光信号的精准捕捉。然而，传统光电探测器在面对超弱红外光探测时，却遭遇了重重困境。传统上，光电探测器的灵敏度通常用比探测率来衡量，它综合考量了响应度和噪声。但在实际应用中，研究人员发现，传统光电晶体管 / 二极管的开启阈值功率并非由比探测率决定，而是受光载流子注入的影响。在传统器件里，只有当入射光强度使表面势饱和时，才能够通过热电子发射产生光电流，这就导致在探测微弱光信号时，需要较高的功率才能触发响应，限制了其在一些对弱光探测要求极高场景中的应用，比如在嘈杂环境下的中红外（MIR）探测。
为了解决这些问题，来自南京大学、西北工业大学以及北京理工大学的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为超弱红外光探测带来了新的曙光。
研究人员设计并制备了一种基于黑磷（BP）的光隧穿晶体管，这一晶体管采用了部分双栅结构，其中 5 纳米厚的黑磷通道夹在两层六方氮化硼（hBN）保护片之间。该研究主要运用了以下关键技术方法：首先是样品制备技术，利用胶带将石墨烯、hBN 和 BP 转移到特定的衬底上，通过光学显微镜确定材料厚度，采用干转移法构建异质结构，并借助电子束光刻和电子束蒸发技术制作金属电极；其次是光学和传输测量技术，使用自组装扫描光电流显微镜进行光电流映射和阈值测量，利用宽带中红外超连续激光作为光源，配合多种光学元件和测量仪器收集和分析数据。
研究结果如下：
- BP 光隧穿晶体管的特性：这种晶体管具备独特的结构和工作机制。通过底部石墨栅极和顶部两个部分覆盖源漏接触区域的栅极协同工作，能够形成特定的能带结构。当施加合适的栅极电压时，可实现带间隧穿，替代传统的热电子发射机制。室温下，其最低亚阈值摆幅（SS）可达约 43 - 48.5 mV/dec，打破了玻尔兹曼极限。通过温度相关的传输测量发现，当通道被顶部栅极定义的结调制时，SS 几乎不随温度变化，证实了带间隧穿的主导作用，尽管可能存在非理想效应，但不影响其对弱光的探测性能123。
- 超弱红外探测性能：在中波红外光（2.5 - 4.8 μm 波长）探测实验中，该光隧穿晶体管展现出优异的性能。即使在响应度 / 比探测率较低的情况下，它也显著提高了开启阈值功率。在 80 K 时，能探测到最低功率约为 35 pW 的中波红外光，相比传统光电晶体管，性能提升约 30 倍。通过扫描光电流显微镜对不同模式下的器件光电流进行映射，发现传统场效应晶体管（FET）在 35 pW 的弱入射光下无响应，而光隧穿晶体管有明显的光伏响应45。
- 亚阈值摆幅与开启阈值的关系：研究人员进一步探究了亚阈值摆幅与开启阈值之间的关系。通过改变温度和顶部栅极电压两种方式调整 SS，发现光隧穿晶体管在不同温度区间和不同 SS 条件下，均表现出优于传统 FET 的性能。在低温（~80 - 100 K）时，阈值功率几乎与温度无关；在较高温度下，虽然阈值功率会指数上升，但光隧穿晶体管的表现依然出色。并且，通过调整顶部栅极电压连续改变 SS，发现阈值功率随 SS 指数下降，验证了载流子注入是决定光电晶体管最低可探测功率的关键因素67。
研究结论与讨论部分指出，该研究揭示了光电探测器的探测能力并非单纯由比探测率决定，电荷注入才是关键因素。基于陡坡场效应晶体管提高灵敏度的策略，虽然原型光隧穿晶体管的比探测率较低，但开启阈值功率却远超传统光电晶体管。这一策略可推广到多种陡坡晶体管技术，而且在弱光探测应用中，能够避开陡坡晶体管的一些缺点。这意味着在衡量光电探测器性能时，除了噪声和响应度外，开启阈值应被视为一个重要的固有品质因数。该研究为陡坡晶体管技术在低功耗光电子学领域的应用开辟了新方向，有望推动超灵敏红外传感和成像技术的发展，在众多依赖红外探测的领域产生深远影响。
