上海技物所在紅外光電探測器研究方面取得進展

在國家自然科學基金項目（61725505、11734016和61521005）等資助下，中國科學院上海技術(shù)物理研究所胡偉達研究員團隊與復旦大學周鵬教授團隊合作，在紅外光電探測器研究方面取得進展。研究成果以“范德瓦爾斯單極勢壘光電探測器（Unipolar barrier photodetectors based on van der Waals heterostructures）”為題，于2021年5月25日在《自然·電子學》（Nature Electronics）上發(fā)表。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00586-w。

紅外光電探測器廣泛應用于航天航空、氣象觀測、天文和生命科學等重要領域，科學技術(shù)壁壘高。長期以來，如何抑制暗電流是制約紅外探測器實現(xiàn)高工作溫度（High Operating Temperature, HOT）的瓶頸。在傳統(tǒng)PN結(jié)紅外探測器中，耗盡區(qū)過高的Shockley-Read-Hall（SRH）復合、俄歇復合和表面復合限制了器件的暗電流抑制能力。因此，領域研究人員一直致力于尋求一種超越PN結(jié)的新型器件結(jié)構(gòu)。

圍繞這一難題，胡偉達研究員與周鵬教授合作團隊獨辟蹊徑，利用二維原子層堆疊實現(xiàn)了能帶局域態(tài)有效調(diào)控，構(gòu)建的范德瓦爾斯單極勢壘探測器解決了傳統(tǒng)材料勢壘結(jié)構(gòu)外延生長晶格失配和組分能帶梯度難以控制的難題。他們一方面利用單極勢壘阻擋吸收層中的多數(shù)載流子運動控制器件耗盡區(qū)分布，阻止其向?qū)拵兜膭輭緦又修D(zhuǎn)移，有效降低了器件的SRH電流；另一方面，通過降低吸收層載流子濃度有效抑制了俄歇復合。此外，該單級勢壘結(jié)構(gòu)還具有類表面鈍化的隔離作用，從而降低了器件的表面漏電。室溫下（T=300K）的測試結(jié)果表明，制備出的范德瓦爾斯nBn單極勢壘探測器暗電流低至15 pA，pBp單極勢壘探測器在中波紅外波段的黑體探測率達到2.3×1010 cmHz1/2W-1（黑體探測率是國際標準化組織指定評價紅外探測性能的“國際標準”指標）（圖1）。

圖1 范德瓦爾斯單極勢壘光電探測器，（a）nBn單極勢壘能帶結(jié)構(gòu)及器件設計示意圖；（b）pBp單極勢壘能帶結(jié)構(gòu)及器件結(jié)構(gòu)示意圖；（c）nBn單極勢壘結(jié)構(gòu)器件的光開關比-暗電流密度對比；（d）pBp單極勢壘結(jié)構(gòu)器件的室溫黑體紅外探測性能對比 BLIP: Background Limited Infrared Performance

該研究工作不僅為二維材料紅外探測器HOT暗電流過高的難題提供了解決思路，也為二維材料在紅外領域的實際應用提供了技術(shù)方案。

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