紅外這種“看不見的光線”自19世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)以來發(fā)展異常迅速，如今小至生命科學(xué)，大至宇宙起源，重至國防安全，廣至民生市場(chǎng)都離不開紅外探測(cè)這一硬核技術(shù)。但是傳統(tǒng)光電探測(cè)結(jié)構(gòu)通常難以區(qū)分器件中混雜在一起的噪聲暗電流和信號(hào)光電流，因此很難做到對(duì)噪聲的定點(diǎn)消除，特別當(dāng)溫度從低溫向室溫，波段從可見向紅外拓展時(shí)，器件噪聲暗電流呈指數(shù)級(jí)增長。
復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院周鵬教授課題組與中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所胡偉達(dá)研究員最近在新型光電探測(cè)器的研究中取得了開創(chuàng)性進(jìn)展，研究成果以“范德瓦爾斯單極勢(shì)壘光電探測(cè)器（Unipolar barrier photodetectors based on van der Waals heterostructures）”為題于北京時(shí)間2021年05月25日在線發(fā)表在Nature Electronics雜志上（DOI：10.1038/s41928-021-00586-w）。
該工作源頭創(chuàng)新地提出了單極勢(shì)壘光電探測(cè)結(jié)構(gòu)，巧妙地構(gòu)建了一種天然屏障，只阻擋“有害的”噪聲暗電流成分，“有益的”信號(hào)光電流可以暢通無阻，因而可以在不削弱光響應(yīng)的情況下有效抑制暗電流，提高探測(cè)器信噪比。該單級(jí)勢(shì)壘型結(jié)構(gòu)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是新型紅外光電探測(cè)的命脈技術(shù)，例如洛克希德?馬丁公司技術(shù)集成主任羅布赫斯特曾說：“單級(jí)勢(shì)壘技術(shù)可對(duì)下一代紅外系統(tǒng)產(chǎn)生廣泛積極影響。這種突破性技術(shù)可以促進(jìn)大面陣研發(fā)，并減少制冷的運(yùn)營維護(hù)成本”。據(jù)悉F-35戰(zhàn)斗機(jī)中將使用單級(jí)勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的紅外光電探測(cè)器替換以往的傳統(tǒng)技術(shù)。
然而這種單級(jí)勢(shì)壘型結(jié)構(gòu)目前在國內(nèi)研究中仍屬空白領(lǐng)域，主要因?yàn)槠鋵?duì)材料能帶和晶格匹配的要求極其苛刻，即使國際公司也僅僅實(shí)現(xiàn)了77-120K低溫工作。近日，周鵬和胡偉達(dá)團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，開創(chuàng)性地構(gòu)筑了范德瓦爾斯單極勢(shì)壘探測(cè)器，解決了傳統(tǒng)外延薄膜材料中能帶和晶格失配的技術(shù)瓶頸。特別是空穴/勢(shì)壘/空穴結(jié)構(gòu)在中波紅外室溫顯示出優(yōu)異的黑體探測(cè)率2.3×1010cmHz1/2W-1。這意味著該工作實(shí)現(xiàn)了范德瓦爾斯單極勢(shì)壘光電探測(cè)器跨入紅外實(shí)用領(lǐng)域的關(guān)鍵突破。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金、應(yīng)急重點(diǎn)項(xiàng)目及上海市集成電路重點(diǎn)專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助和專用集成電路與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。
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