中科院上海技物所在可见/红外双波段二维光电探测器研究取得进展

最近,中科院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室胡伟达、陈效双、陆卫课题组和复旦大学物理系修发贤课题组在可见/红外双波段二维光电探测器研究中取得进展。该实验室相关研究人员研制出一种基于二维范德华异质PN结16×1阵列探测器,并对阵列探测器进行了双波段(可见和短波红外)成像演示,初步展示了这种二维异质PN结光电探测器具有双波段智能识别目标的能力。

高灵敏度、智能化(多色/多波段)、低功耗、低成本的光电探测器在新一代颠覆性红外光电探测技术领域有着迫切的需求。现有基于碲镉汞、铟嫁砷、锑化铟等薄膜材料的焦平面探测器技术难于满足这种红外光电探测系统快速发展需求,迫切需要发展新型红外光电探测材料。与此同时,随着二维材料研究的不断深入,其特殊的物理特性不断被研究者发现。二维材料层间以范德华力键合,且面内为完美单晶、电子态完备,具有较高的载流子迁移速度、可任意堆叠形成能带剪裁、光电特性易被局域场调控、超薄二维沟道形成室温探测等特点,在光电探测领域有望发挥巨大的潜力。在此项新工作中,该研究团队突破技术难关,通过分子束外延制备了大面积层状GaSe/GaSb范德华二维异质PN结,其整流比大于103;研制了16×1阵列探测器,阵列探测器的室温探测率为~1012 Jones、响应速度为40 µs、响应波段为可见-短波红外;进一步,该团队实现了二维范德华垂直异质结探测器的可见/红外双波段成像演示,并报道了二维光电探测器的16×1阵列推扫成像(像素点16×60 pixels)和单点扫描成像(像素点512×100 pixels),成像结果初步展示了这种二维光电探测器具有双波段智能识别目标的能力(如图所示)。
AM-huweida

图:(a) GaSe/GaSb二维异质PN结光电探测器光谱响应和器件结构示意图; 
(b) 可见/红外双波段单点扫描成像(像素点512×100 pixels);
(c) 16×1阵列推扫成像(像素点16×60 pixels)

该工作解决了二维探测材料在红外光电探测领域所面临的几个难点,如大面积可控生长、室温高探测率、快速响应等。标志着二维光电探测器由简单的单色、单元器件向多波段面阵器件迈出关键一步。可以预期,随着二维材料的制备和器件工艺的不断进步,这种二维异质PN结红外光电探测器有望解决传统氧化钒、非晶硅非制冷探测器在高工作温度与高性能(如传统非制冷探测器响应速度慢和探测率低)问题不能兼顾的突出矛盾,引领未来红外光电探测技术的跨越发展。相关成果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201604439)上,论文第一作者为博士研究生王鹏和刘珊珊。

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