寬帶光電探測技術在現代科技中扮演著關鍵角色，廣泛應用于遙感、成像、光通信、環境監測、醫學成像和軍事等領域。然而，隨著技術發展和應用需求的增加，寬帶探測器面臨諸多挑戰。首先，實現超寬光譜響應是關鍵，現有探測器難以同時高效響應紫外、可見光和長波紅外信號。其次，響應均勻性至關重要，探測器僅在特定波長范圍內表現優異會影響探測結果的準確性和可靠性。此外，在多光譜重疊條件下，傳統探測器難以準確區分不同光譜信號，限制了其在安全通信中的應用。因此，設計一種能夠覆蓋超寬波長范圍、具有高響應均勻性并能準確區分不同光譜信號的光電探測器，成為當前研究的熱點和挑戰。
為了實現超寬波長覆蓋，有必要引入窄帶隙半導體材料。高響應均勻性依賴于帶隙匹配和接近，以確保重疊的響應波段。在多光譜重疊條件下，雙極光電探測器尤為重要，能夠提供正負電流響應模式，顯著增強設備在光信號處理和識別方面的能力和靈活性。材料組合與極性反轉之間的關系已得到廣泛研究。例如，基于CdSe和Bi?Se?吸收層的非對稱異質結器件，實現了波長依賴的雙極響應，適用于選擇性波長靈敏度的應用。進一步調節材料和優化結構，以實現更廣泛的探測能力、提高響應效率，并將其應用范圍擴展到紫外范圍之外，仍是未來發展的關鍵領域。
據麥姆斯咨詢報道，近日，哈爾濱工業大學與中國科學院半導體研究所的科研團隊提出了一種將窄帶隙Bi?Se?與AlInAsSb結合開發了自供電的超寬異質結光電探測器（如圖1）。該器件在零偏置下工作，在250 ~ 1900 nm范圍內具有超寬響應，在所有波長范圍內的探測率超過101?? Jones，表明了高性能和均勻的探測能力。該探測器已成功應用于成像和加密光通信，并表現出高品質的成像和優越的加密性能。這項研究以“Bipolar Modulation in a Self-Powered Ultra-Wide Photodetector Based on Bi2Se3/AlInAsSb Heterojunction for Wavelength-Sensitive Imaging and Encrypted Optical Communication”為題發表在Advanced Materials期刊上。
圖1?超寬異質結光電探測器制造過程及形貌表征
為了研究AlInAsSb器件和Bi?Se?/AlInAsSb異質結器件在黑暗和光照條件下的光響應特性，研究人員測量了這兩種器件在250 - 1150 nm波長范圍內的光電流-電壓（I-V）和光電流-時間（I-t）特性，相關結果如圖2所示。
圖2 AlInAsSb器件和Bi?Se?/AlInAsSb異質結器件的I-V和I-t特性
電荷（q）和有效面積（S）兩個參數直接決定了光電探測器的靈敏度和準確性，影響光電探測器在通信、成像及環境監測等應用中的有效性。因此，研究人員對AlInAsSb器件和Bi?Se?/AlInAsSb異質結器件的性能做了測試，結果如圖3所示。
圖3 AlInAsSb器件和Bi?Se?/AlInAsSb異質結器件的性能表征
研究人員對Bi?Se?/AlInAsSb異質結器件的穩定性、耐用性以及器件內部的能量變化原理做了細致的研究，相關結果如圖4所示。
圖4?Bi?Se?/AlInAsSb異質結器件能量轉換原理解析
為了評估Bi?Se?/AlInAsSb異質結光電探測器的成像潛力，研究人員將該器件作為單像素傳感器（捕獲光信號并將其轉換為電信號），接著對其電信號進行集成和處理，從而生成高質量的圖像。相關實驗結果如圖5所示。在250 - 1150 nm波段的光源照射下，研究人員發現該器件紫外波段與紅外波段之間的光電流響應存在顯著差異。值得注意的是，該器件在650 - 680 nm波段內發生了光電流極性反轉。這一特性突出了該探測器在加密光通信中的應用潛力。
圖5 Bi?Se?/AlInAsSb異質結光電探測器的成像和加密光通信應用
綜上所述，這項研究通過選擇Bi?Se?和AlInAsSb這兩種具有相似帶隙的窄帶隙材料，構建了Bi?Se?/AlInAsSb異質結，成功實現了超寬帶光電探測器的性能突破。材料的帶隙、電子遷移率、光吸收特性等參數直接影響著探測器的響應范圍、響應速度和量子效率等關鍵性能指標。通過精確控制材料的組成和結構，可以實現對光電探測器性能的精細調控。該Bi?Se?/AlInAsSb異質結光電探測器展現出獨特的雙極特性，即在650-680 nm波段發生光生電流極性反轉。這一特性為多光譜探測和加密光通信等領域提供了新的應用思路。在多光譜成像中，雙極光電探測器能夠更精確地分辨不同波長范圍內的光信號，有助于獲取更豐富的光譜信息，提高成像質量。
https://doi.org/10.1002/adma.202416935
延伸閱讀：
《石墨烯市場和二維材料評估-2023版》
