中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
隨著(zhù)大數據、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，數據安全面臨嚴峻挑戰。加密光通信是保障數據傳輸安全的重要手段，而光電探測器是其中的核心部件。開(kāi)發(fā)寬帶、高靈敏度光電探測器對于加強光電探測器在安全光通信中的應用至關(guān)重要。自驅動(dòng)光電探測器利用光伏效應或熱釋光電效應（PPE）在零偏壓下產(chǎn)生光電流，不僅降低了能耗，還提高了器件的集成性和便攜性，特別適合用于加密光通信系統。熱釋光電效應利用光誘導的熱效應產(chǎn)生瞬態(tài)極化電場(chǎng)，從而增強光生載流子的分離和傳輸效率。
近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究團隊開(kāi)發(fā)了一種基于Ga?O?/CdS異質(zhì)結的自驅動(dòng)光電探測器，它利用熱釋光電效應實(shí)現了200 nm至1100 nm的寬帶響應，突破了材料本征帶隙的限制。與僅依賴(lài)光伏效應的器件相比，該自驅動(dòng)光電探測器在所有波長(cháng)的照明下的響應度和比探測率都顯著(zhù)提高，在460 nm光照下性能特別提高了536%。此外，利用基于熱釋光電效應的光響應特性構建了可編程邏輯門(mén)，并在同一器件成功實(shí)現了三個(gè)邏輯功能——“AND”、“OR”和“XOR”，實(shí)現了信息的加密和解碼。這項研究不僅推進(jìn)了對熱釋光電效應的理論理解和應用范圍，而且為高效、安全的加密光通信提供了一種新的策略。這項研究以“A programmable logic gate constructed with Ga2O3/CdS self-powered photodetector based on the pyro-phototronic effect: A new avenue for achieving secure encrypted optical communication”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal期刊上。
研究團隊采用磁控濺射法制備了基于Ga?O?/CdS異質(zhì)結的自驅動(dòng)光電探測器，該器件制備過(guò)程和表征如圖1所示。隨后，研究團隊通過(guò)系統性實(shí)驗評估了該器件的光電性能，相關(guān)結果如圖2和圖3所示。
圖1 Ga?O?/CdS異質(zhì)結自驅動(dòng)光電探測器的制備過(guò)程和表征
圖2 Ga?O?/CdS異質(zhì)結自驅動(dòng)光電探測器的光響應行為
圖3 Ga?O?/CdS異質(zhì)結自驅動(dòng)光電探測器的光響應行為
隨后，研究人員深入分析了熱釋光電效應在Ga?O?/CdS異質(zhì)結自驅動(dòng)光電探測器的產(chǎn)生和增強機制，相關(guān)結果如圖4所示。
圖4 Ga?O?/CdS異質(zhì)結自驅動(dòng)光電探測器熱釋光電效應的產(chǎn)生和增強機制
最后，研究人員利用Ga?O?/CdS異質(zhì)結自驅動(dòng)光電探測器的多波段響應特性，構建了可編程邏輯門(mén)，用于光電信號的邏輯運算和加密處理，相關(guān)結果如圖5和圖6所示。
圖5 Ga?O?/CdS異質(zhì)結自驅動(dòng)光電探測器光邏輯門(mén)的實(shí)現及其在光加密通信中的應用
圖6 解碼光響應信息的應用示意圖
綜上所述，這項研究成功開(kāi)發(fā)了一種基于Ga?O?/CdS異質(zhì)結的自驅動(dòng)光電探測器，利用熱釋光電效應實(shí)現了200 nm至1100 nm的寬帶響應，顯著(zhù)突破了材料帶隙限制。該光電探測器在多波段探測、邏輯運算和加密通信中表現出色，驗證了其在安全通信、物聯(lián)網(wǎng)和便攜式設備中的潛力。這項研究成果展示了熱釋光電效應在光電探測和信號處理領(lǐng)域的巨大潛力，為開(kāi)發(fā)高效、寬帶和自驅動(dòng)的光電集成系統提供了新思路。未來(lái)通過(guò)優(yōu)化制備工藝和材料穩定性，該技術(shù)有望推動(dòng)下一代光通信技術(shù)的商業(yè)化。
