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，廣至民生市場都離不開紅外探測這一硬核技術(shù)。但是傳統(tǒng)光電探測結(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光電流，因此很難做到對噪聲的定點消除，特別當(dāng)溫度從低溫向室溫，波段從可見向紅外拓展時，器件噪聲暗電流呈指數(shù)級增長。

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“范德瓦爾斯單極勢壘光電探測器（Unipolar barrier photodetectors based on van der Waals heterostructures）”為題于北京時間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)新地提出了單極勢壘光電探測結(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，提高探測器信噪比。該單級勢壘型結(jié)構(gòu)的獨特優(yōu)勢是新型紅外光電探測的命脈技術(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：“單級勢壘技術(shù)可對下一代紅外系統(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)，并減少制冷的運營維護(hù)成本”。據(jù)悉F-35戰(zhàn)斗機中將使用單級勢壘結(jié)構(gòu)的紅外光電探測器替換以往的傳統(tǒng)技術(shù)。

然而這種單級勢壘型結(jié)構(gòu)目前在國內(nèi)研究中仍屬空白領(lǐng)域，主要因為其對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現(xiàn)了77-120K低溫工作。近日，周鵬和胡偉達(dá)團(tuán)隊獨辟蹊徑，開創(chuàng)性地構(gòu)筑了范德瓦爾斯單極勢壘探測器，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)異的黑體探測率2.3×1010cmHz1/2W-1。這意味著該工作實現(xiàn)了范德瓦爾斯單極勢壘光電探測器跨入紅外實用領(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)急重點項目及上海市集成電路重點專項等項目的資助和專用集成電路與系統(tǒng)國家重點實驗室的支持。