短波紅外（SWIR，1–3 μm）探測是自動駕駛、生物醫(yī)學(xué)成像、工業(yè)檢測與消費電子的核心支撐技術(shù)。傳統(tǒng)主流方案依賴InGaAs、HgCdTe等材料，需昂貴外延生長與倒裝鍵合集成，成本高、像素擴展性受限；溶液法量子點雖具備集成潛力，但含鉛、汞等有毒元素且環(huán)境穩(wěn)定性不足，難以滿足商業(yè)化可持續(xù)要求。硫系化合物(Bi,Sb)?Se?合金兼具地球豐度高、空氣穩(wěn)定性好與光電性能可調(diào)優(yōu)勢。如何在窄帶隙吸收與低暗電流、高遷移率之間實現(xiàn)解耦，成為高性能短波紅外探測的關(guān)鍵瓶頸。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，華中科技大學(xué)和湖北九峰山實驗室研究團隊提出組分梯度驅(qū)動能帶對準(zhǔn)策略，通過一步氣相沉積構(gòu)建垂直方向Bi組分漸變的(Bi,Sb)?Se?合金，自發(fā)形成本征V型能帶結(jié)構(gòu)，在增強短波紅外光吸收的同時抑制復(fù)合與暗電流，實現(xiàn)定向載流子輸運與高效收集。器件在1300 nm處外量子效率（EQE）達47.8%、線性動態(tài)范圍（LDR）102 dB、上升/下降時間0.32 μs/3.07 μs，并成功實現(xiàn)640×512硅基讀出集成電路（ROIC）單片集成與64×64 透明薄膜晶體管（TFT）雙面成像，為低成本、可規(guī)?；?/span>互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容短波紅外光電子器件提供通用范式。相關(guān)研究成果以“Band-alignment-guided (Bi,Sb)?Se? alloys for high-performance photodetection and monolithic CMOS-integrated imaging”為題發(fā)表在Matter & Light期刊上。
材料設(shè)計與能帶工程原理
Bi取代Sb可在保持Sb?Se?準(zhǔn)一維鏈狀晶體結(jié)構(gòu)的同時，實現(xiàn)能帶連續(xù)調(diào)控。Bi?Se?為直接帶隙，Sb?Se?與(Bi,Sb)?Se?為間接帶隙；隨著Bi摻入，導(dǎo)帶底（CBM）顯著下移，帶隙從Sb?Se?的～1.17 eV連續(xù)收窄至～0.8 eV，響應(yīng)截止波長拓展至1.5 μm。
圖1 基于能帶工程的(Bi,Sb)?Se?短波紅外光電探測器及單片成像陣列架構(gòu)
研究人員采用雙源氣相輸運沉積（VTD）技術(shù)，在(Bi,Sb)?Se?薄膜中實現(xiàn)了Bi/Sb組分的縱向梯度分布。薄膜內(nèi)部Bi富集、上下界面Sb富集，形成倒V型Bi分布與V型Sb分布，Se組分保持均勻。
圖2 Bi?Se?、Sb?Se?、(Bi,Sb)?Se?的帶隙計算
該組分分布直接構(gòu)建V型能帶排列，實現(xiàn)三大核心功能：（1）在ITO界面形成能壘，抑制光生電子反向擴散與界面復(fù)合；（2）建立垂直內(nèi)建電場，加速電子向SnO?陰極輸運，提升收集效率；（3）界面高Sb組分提升肖特基勢壘，增強整流特性并抑制暗電流。器件采用n-on-p光電二極管架構(gòu)（如圖3）：ITO底電極/P型(Bi,Sb)?Se?吸收層/n型SnO?電子傳輸層/ITO頂電極。
圖3 (Bi,Sb)?Se?薄膜的組分表征
薄膜制備與光電探測器性能表征
研究人員對該光電探測器進行測試，相關(guān)結(jié)果如圖4所示。該光電探測器在1300 nm波長下實現(xiàn)了518.2 mA/W的響應(yīng)度和47.8%的外量子效率。器件展現(xiàn)出六數(shù)量級的線性動態(tài)范圍（102 dB），以及0.32 μs/3.07 μs的上升/下降時間（?3 dB帶寬150 kHz）；該器件具有優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性與穩(wěn)定性。
圖4 V形能帶(Bi,Sb)?Se?光電探測器的性能
單片CMOS集成與短波紅外成像
研究人員依托低溫工藝（<150 ℃），將(Bi,Sb)?Se?二極管直接沉積于商用640×512像素CMOS讀出電路（像素間距15 μm），構(gòu)建無需混合鍵合的單片短波紅外焦平面陣列，相關(guān)結(jié)果如圖5所示。
圖5 (Bi,Sb)?Se?薄膜光電探測器的短波紅外相機
最后，研究人員基于透明氧化物TFT背板制備64×64像素雙面照明成像陣列，利用V型能帶實現(xiàn)波長選擇性本征濾波，從而實現(xiàn)了雙面光譜選擇性成像（正面全光譜響應(yīng)、背面可見光選擇性響應(yīng)），相關(guān)成像結(jié)果如圖6所示。
圖6 基于(Bi,Sb)?Se? TFT圖像陣列實現(xiàn)雙面成像
https://doi.org/10.1016/j.matlit.2026.100002
