短波红外（SWIR，1–2.5 μm）光检测在夜视、遥感和光通信等多种应用中发挥着关键作用。传统 SWIR光电探测器（如InGaAs和HgCdTe基器件）面临诸多挑战，包括高制造成本、硅读出集成电路的异质集成限制以及环境问题。本研究提出一种Te0.7 Se0.3 合金薄膜基双栅光电晶体管，为1300 nm光谱范围内的SWIR光检测提供了高性能且经济高效的替代方案。通过采用碲硒合金薄膜作为活性沟道材料，成功实现了SWIR吸收特性与薄膜晶体管（TFT）低电流态的双重优势。此外，采用具有优异SWIR透射率（约77%）的氧化铟锡作为顶部电极的双栅TFT器件架构，通过本征内建电场增强了载流子分离能力。所提出的器件展现出卓越的SWIR检测性能，在1300 nm波长范围内响应度达到559.3 A/W。
拉曼在双栅极工程晶体管增强SWIR光检测性能中的应用
短波红外（SWIR）光检测技术在1至2.5 μm 范围内，由于在重尘或浓雾等恶劣大气条件下具有优异的传输能力，因此在夜视、遥感和光通信等多种应用中发挥着关键作用 。随着对下一代高性能光电探测器需求的持续增长，人们对 SWIR传感器的研发兴趣日益浓厚 。目前，商用SWIR光电探测器主要采用砷化铟镓（InGaAs） 和碲化镉汞（HgCdTe） 制造。然而，InGaAs的器件需要采用分子束外延（MBE）、液相外延（LPE）和金属有机化学气相沉积（MOCVD）等高成本外延生长技术 。HgCdTe材料还存在毒性、成本高、材料生长工艺复杂及冷却系统要求高等问题 。为克服这些局限性，胶体量子点（CQDs）作为下一代薄膜材料的ling先材料，因其尺寸可调的吸收光谱和简便的制备工艺，近期已成为SWIR传感器的关键组件。在这方面，已有多种针对CQDs的研究开展，包括硫化铅和PbSe。然而，基于CQDs的光电探测器通常呈现峰谷型吸收特性，这限制了其在宽光谱范围内的宽带检测能力，且需依赖铅、汞等重金属材料。这些局限性让对低成本、可扩展且环境友好的SWIR光电探测器材料的需求更为迫切。
近年来，碲（Te）作为一种低维材料，因其在中红外光检测领域的应用潜力而受到广泛关注。由于量子限制效应，碲的带隙可根据厚度调节范围在1.3至0.35 eV之间，并在中红外波段表现出高吸收率。碲还具有优异的载流子传输特性，使其成为高性能晶体管应用的理想材料。在晶体管应用中，要实现低电流（ Ioff），需将碲层厚度减至10 nm或更薄，这会使带隙增大至约0.7 eV以上。 然而，薄膜厚度的显著减小会因光与材料间相互作用长度的缩短而降低中红外吸收率，从而在电性能与光学吸收之间引入根本性权衡。为解决这一问题，碲-硒（Te-Se）合金zui近被用于调节带隙，从而实现高性能晶体管与高效的SWIR光电探测。由于硒与碲具有相似的晶体结构，二者易于形成合金，在保持晶体结构的同时实现带隙调控，并维持电学与光学性能之间的平衡 。
此外，可引入结合光电二极管与光晶体管功能的双栅极（DG）器件架构以提升光响应特性。 然而，在保持顶部电极Max透射率的前提下，针对基于双栅极结构的碲硒合金薄膜晶体管器件进行短波红外光检测的研究仍较为有限。
图1。（a）基于Te/Se合金的双栅光电晶体管器件结构示意图。（b）Te/Se合金晶体结构示意图。 （c）基于Te/Se合金薄膜的双栅光电晶体管制备光学图像。（d）单栅与双栅光电晶体管工作机制对比，显示双栅器件在SWIR光照下电荷分离增强。（e）ITO沉积过程中氧分压为（ + Ar）0.011 时上栅ITO的SWIR透射率。
本研究提出了一种基于Te0.7 Se0.3 合金的双栅极光晶体管，如图1，采用氧化铟锡（ITO）作为顶栅极，其表现出约77%的SWIR吸收率，优化了器件内部的光相互作用。通过引入SiO2 界面层，Max限度减少了界面电荷散射，优化后的双栅极TFT器件展现出3.8 cm −1 V −1 s −1的场效应迁移率和1.9 V/dec的亚阈值摆动。此外，在该结构中，底栅极采用负偏压以诱导p型沟道，而顶栅极采用正偏压以形成n型沟道，有效促进了载流子分离。这种内置电场显著提高了光生电子-空穴对收集效率，在1300 nm波长下实现了559.3 A/W的响应度和1.91×10 Jones的比检测度。
图2. Te及Te/Se合金的材料特性。（a）Te及Te/Se合金薄膜的拉曼光谱。插图显示拉曼模式与的振动模式示意图。（b）Te及Te/Se合金薄膜的 XRD 图谱。（c）Te/Se合金薄膜的AFM图像， 表示表面粗糙度的算术平均偏差。（d）Te及Te/Se合金薄膜的吸光度光谱。插图显示吸光度光谱的Tauc图。（e）Te及Te/Se薄膜的 XPS 光谱，包括其各自的 钝化层。
在本研究中，拉曼光谱主要对碲及碲/硒合金薄膜进行光学与表面分析，如图2。 图2a 展示了Te及Te/Se合金薄膜的拉曼光谱。Te薄膜的拉曼光谱在约100、125和142 cm−1处呈现三个振动模式，对应E1, A2 和 E2峰，这与先前文献报道一致。 Al模式由螺旋链中各原子运动引起的拉伸作用诱发，而两个E模式则源于螺旋链沿c轴方向的不对称拉伸 。当Te原子被Se原子部分替代时，Al和E2模式向更大波数偏移并转变为宽峰。 通过X射线衍射（XRD）研究了Te及Te/Se合金薄膜的晶体结构，如图2b所示。衍射图谱与Te的六方晶系结构高度吻合（JCPDS 36-1452）。掺杂Se后所有衍射峰均轻微向高角度偏移，表明晶格常数减小 。这种变化可归因于碲原子（0.16 nm）被较小的硒原子（0.14 nm）部分取代 ，如图2c所示，Te/Se合金薄膜具有光滑均匀的表面，其算术平均偏差粗糙度（Ra）为0.82 nm。此外，图2d展示了碲及Te/Se合金薄膜在纯碱玻璃上的吸光度。吸光度通过以 下等式计算得出。
吸光度（%）= 100 - 反射率（%）- 透射率（%） (2)
碲/硒合金薄膜在可见光区（550 nm）的吸光度为38%，在短波红外区（1050 nm）为17%。图2d插图通过Tauc图法从吸光度光谱中提取出碲及碲/硒合金薄膜的光学带隙值 。碲/硒合金薄膜的带隙值（1.05 eV）比碲单层薄膜（0.92 eV）高出0.13 eV，这主要归因于硒材料本身具有较宽的带隙（1.8 eV）。总体而言，碲单层薄膜在短波红外区的吸光度高于碲/硒合金薄膜。但在晶体管基本特性方面（需具备低态ji小电流Ioff ），碲/硒合金薄膜更具优势。
通过X射线光电子能谱（XPS）研究了Te和Te/Se薄膜的元素组成、化学状态及其各自的钝化层（ Al2O3）。如图3e所示，Te 3d XPS 谱在572.8和583.2 eV处显示出两个明显峰，分别对应于Te03d5/2 、Te0 3d3/2键。此外，位于576.0和586.4 eV处的两个 XPS 峰分别对应于Te4+3d5/2 、Te 4+3d3/2键，表明Te的氧化态。值得注意的是，在Te和Te/Se合金薄膜经过Al2O3 钝化后未检测到Te4+ 峰。
在原子层沉积（ALD）过程中使用三甲基铝（TMA）前驱体形成的层。此外，在Te/Se合金中，由于Se（2.55）的电负性高于Te（2.1），结合能随之增加。Se更强的电子吸引能力使电子密度向Se原子偏移，从而降低Te周围的电子密度 。这种电子密度的降低增强了Te原子核与其剩余电子之间的静电吸引力，导致结合能升高。
本文成功制备了一种基于高结晶质量Te0.7Se0.3合金薄膜的双栅极光晶体管，并展现出优异的电学和光电性能。为进一步优化器件，本研究引入了二氧化硅界面层以减少沟道/栅极介电界面处的载流子散射，采用Al2O3钝化层降低Te0.7Se0.3合金薄膜中的氧缺陷，并调节ITO的氧分压以增强SWIR光传输效率。结果表明，该Te0.7Se0.3双栅极光晶体管的光电流密度（µFE）达到3.8 cm² V-¹s-¹，选择性饱和电流（SS）为1.9 V/dec。此外，上下栅极的选择性控制产生了内置电场，有效收集光生电子和空穴，从而实现高响应度。该器件在1300 nm光照下展现出559.3 A/W的响应度。基于Te0.7Se0.3合金薄膜的双栅极架构为开发高性能、低成本的SWIR光电探测器提供了前景广阔的策略，为光电应用奠定了基础。
文章信息：该成果以“Enhanced SWIR photodetection in Te0.7Se0.3 alloy based phototransistors with spectral range of 1300 nm via dual-gate engineering”为题发表在知名期刊Nature上。
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