用芯去看黑暗中的红光

红外这种“看不见的光线”自19世纪初发现以来发展异常迅速，如今小至生命科学，大至宇宙起源，重至国防安全，广至民生市场都离不开红外探测这一硬核技术。但是传统光电探测结构通常难以区分器件中混杂在一起的噪声暗电流和信号光电流，因此很难做到对噪声的定点消除，特别当温度从低温向室温，波段从可见向红外拓展时，器件噪声暗电流呈指数级增长。

复旦大学微电子学院周鹏教授课题组与中国科学院上海技术物理研究所胡伟达研究员最近在新型光电探测器的研究中取得了开创性进展，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）”为题于北京时间2021年05月25日在线发表在Nature Electronics杂志上（DOI：10.1038/s41928-021-00586-w）。

该工作源头创新地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。该单级势垒型结构的独特优势是新型红外光电探测的命脉技术，例如洛克希德•马丁公司技术集成主任罗布赫斯特曾说：“单级势垒技术可对下一代红外系统产生广泛积极影响。这种突破性技术可以促进大面阵研发，并减少制冷的运营维护成本”。据悉F-35战斗机中将使用单级势垒结构的红外光电探测器替换以往的传统技术。

然而这种单级势垒型结构目前在国内研究中仍属空白领域，主要因为其对材料能带和晶格匹配的要求极其苛刻，即使国际公司也仅仅实现了77-120K低温工作。近日，周鹏和胡伟达团队独辟蹊径，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2.3×1010cmHz1/2W-1。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。

该工作得到了国家自然科学基金杰出青年科学基金、应急重点项目及上海市集成电路重点专项等项目的资助和专用集成电路与系统国家重点实验室的支持。