中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
紅外雙波段光電探測器是重要的多光譜探測器件，特別是近紅外/短波紅外區域，相較于可見(jiàn)光有更強的穿透能力，相較于中波紅外可以以較低的損耗識別冷背景的物體，因此廣泛應用于民用和軍事領(lǐng)域。當前紅外雙波段探測器主要面臨光譜不可調諧，器件結構復雜而不易與讀出集成電路相結合的挑戰。
近日，合肥工業(yè)大學(xué)先進(jìn)半導體器件與光電集成團隊在光電子器件領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，研究團隊研發(fā)了一種光譜可調諧的近紅外/短波紅外雙波段探測器，相關(guān)研究成果以“Bias-Selectable Si Nanowires/PbS Nanocrystalline Film n–n Heterojunction for NIR/SWIR Dual-Band Photodetection”為題，發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials, 2023: 2214996.）。第一作者為許晨鎬，通訊作者為羅林保教授，主要從事新型高性能半導體光電子器件及相關(guān)光電集成技術(shù)方面的研究工作。
該研究使用溶液法制備了硅納米線(xiàn)/硫化鉛異質(zhì)結光電探測器（如圖1（a）），工藝簡(jiǎn)單，成功將硅基探測器的光譜響應拓寬到2000 nm?；谟邢拊治龇ǖ腃OMSOL軟件分析表明，一方面，有序的硅納米線(xiàn)陣列具有較大的器件面積，提升了載流子的輸運能力，且納米線(xiàn)陣列具有較好的周期性，入射光可以在納米線(xiàn)結構之間連續反射，產(chǎn)生典型的陷光效應。另一方面，小尺寸的納米線(xiàn)陣列可以看作是微型諧振器，可以形成HE??諧振模式，增強特定入射光的光吸收。
通過(guò)調制外加偏壓的極性，器件可以實(shí)現近紅外/短波紅外雙波段探測、近紅外單波段探測、短波紅外單波段探測三種探測模式的切換。器件還具有較高的靈敏度，在2000 nm光照下的探測率高達2.4 × 101? Jones，高于多數短波紅外探測器。
圖1 雙波段紅外探測器結構圖及相關(guān)仿真和實(shí)驗結果
圖2 偏壓可調的近紅外/短波紅外雙波段探測及探測率隨光強的變化曲線(xiàn)
此外，該研究還搭建了單像素光電成像系統（如圖3（a）），在2000 nm光照下，當施加-0.15 V和0.15 V偏壓時(shí)，該器件能對一個(gè)簡(jiǎn)單的英文字母實(shí)現成像。但是不施加偏壓時(shí)，缺無(wú)法清晰成像。這表明只需要對器件施加一個(gè)小的偏置電壓時(shí)，就可以將成像系統的工作區域從近紅外調整到短波紅外，具有較高的靈活性。
圖3 光電成像系統及成像結果
這項研究得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計劃、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專(zhuān)項資金等項目的資助。
