上海技物所在红外光电探测器研究方面取得进展

在国家自然科学基金项目（61725505、11734016和61521005）等资助下，中国科学院上海技术物理研究所胡伟达研究员团队与复旦大学周鹏教授团队合作，在红外光电探测器研究方面取得进展。研究成果以“范德瓦尔斯单极势垒光电探测器（Unipolar barrier photodetectors based on van der Waals heterostructures）”为题，于2021年5月25日在《自然·电子学》（Nature Electronics）上发表。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00586-w。

复旦大学微电子学院消息显示，该工作创新提出了单极势垒光电探测结构，巧妙地构建了一种天然屏障，只阻挡“有害的”噪声暗电流成分，“有益的”信号光电流可以畅通无阻，因而可以在不削弱光响应的情况下有效抑制暗电流，提高探测器信噪比。

研究团队开创性地构筑了范德瓦尔斯单极势垒探测器，解决了传统外延薄膜材料中能带和晶格失配的技术瓶颈。特别是空穴/势垒/空穴结构在中波红外室温显示出优异的黑体探测率2.3×1010 cmHz1/2W-1。

据介绍，这意味着该工作实现了范德瓦尔斯单极势垒光电探测器跨入红外实用领域的关键突破。

红外光电探测器广泛应用于航天航空、气象观测、天文和生命科学等重要领域，科学技术壁垒高。长期以来，如何抑制暗电流是制约红外探测器实现高工作温度（High Operating Temperature, HOT）的瓶颈。在传统PN结红外探测器中，耗尽区过高的Shockley-Read-Hall（SRH）复合、俄歇复合和表面复合限制了器件的暗电流抑制能力。因此，领域研究人员一直致力于寻求一种超越PN结的新型器件结构。

围绕这一难题，胡伟达研究员与周鹏教授合作团队独辟蹊径，利用二维原子层堆叠实现了能带局域态有效调控，构建的范德瓦尔斯单极势垒探测器解决了传统材料势垒结构外延生长晶格失配和组分能带梯度难以控制的难题。他们一方面利用单极势垒阻挡吸收层中的多数载流子运动控制器件耗尽区分布，阻止其向宽带隙的势垒层中转移，有效降低了器件的SRH电流；另一方面，通过降低吸收层载流子浓度有效抑制了俄歇复合。此外，该单级势垒结构还具有类表面钝化的隔离作用，从而降低了器件的表面漏电。室温下（T=300K）的测试结果表明，制备出的范德瓦尔斯nBn单极势垒探测器暗电流低至15 pA，pBp单极势垒探测器在中波红外波段的黑体探测率达到2.3×1010 cmHz1/2W-1（黑体探测率是国际标准化组织指定评价红外探测性能的“国际标准”指标）（图1）。

图1 范德瓦尔斯单极势垒光电探测器，（a）nBn单极势垒能带结构及器件设计示意图；（b）pBp单极势垒能带结构及器件结构示意图；（c）nBn单极势垒结构器件的光开关比-暗电流密度对比；（d）pBp单极势垒结构器件的室温黑体红外探测性能对比 BLIP: Background Limited Infrared Performance

该研究工作不仅为二维材料红外探测器HOT暗电流过高的难题提供了解决思路，也为二维材料在红外领域的实际应用提供了技术方案。