室溫工作的紅外探測器始終面臨一個原理性的性能天花板——環(huán)境黑體輻射。長期以來，業(yè)界普遍默認所有能量高于帶隙的光子都會以相同極性貢獻于電信號輸出，這就是傳統(tǒng)探測器的"單極光譜積分"工作模式。在這一框架下，無論材料質(zhì)量如何提升、界面工程如何優(yōu)化，固定黑體輻射條件下的背景感應(yīng)電流都無法消除，探測器被鎖定在背景限工作區(qū)（BLIP）。
能否將極性反轉(zhuǎn)直接編碼進探測器的本征響應(yīng)之中？這一問題構(gòu)成了本研究的核心出發(fā)點。如果能讓不同光譜帶的光子在單一器件內(nèi)產(chǎn)生相反極性的光電流，那么寬帶背景輻射中的正負分量將在光電轉(zhuǎn)換階段即發(fā)生相消積分，平均背景電流偏移可被本征地抑制，而無需外部相減或平衡讀出。這種傳感器內(nèi)背景偏移抵消機制，將從根本上改寫背景限紅外探測的游戲規(guī)則。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所和新加坡國立大學(xué)的研究團隊提出了一種全新的光譜極性工程紅外探測范式。該研究創(chuàng)新性地在鍺/黑磷（Ge/BP）混合維范德華異質(zhì)結(jié)中實現(xiàn)了波長依賴的光電流極性反轉(zhuǎn)，使不同波段的背景光子在光電轉(zhuǎn)換階段即發(fā)生相消積分，從根源上抑制了室溫環(huán)境下黑體輻射造成的背景電流偏移。器件零偏壓下室溫比探測率達7.89×101? Jones，與單位量子效率積分型探測器的背景限基準僅相差4.11倍。該工作突破了傳統(tǒng)紅外探測器"單極光譜積分"的固有框架，將探測器從被動的寬帶積分器轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥墓庾V鑒別器，為室溫高靈敏紅外傳感提供了全新的物理機制與技術(shù)路線。研究成果以“Sensitive infrared photodetection enabled by in-sensor background-offset cancellation in a mixed-dimensional van der Waals heterostructure”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。
光譜極性工程框架
研究團隊首先建立了光譜極性工程的完整理論框架（如圖1），定量刻畫了極性反轉(zhuǎn)對背景感應(yīng)電流的抑制效果。300 K黑體輻射的光譜功率密度隨波長呈非對稱分布，短波段能量密度高、長波段能量密度低。傳統(tǒng)單極探測器將所有光子轉(zhuǎn)換為同號電流，形成巨大的直流偏移；而極性工程后的探測器在兩個光譜區(qū)間具有相反符號的響應(yīng)度，背景電流通過帶符號的光譜積分被部分抵消，在最優(yōu)補償點附近形成一個"偏移等效探測率"的峰值區(qū)域。從噪聲治理的全局視角看，傳統(tǒng)紅外降噪策略主要沿兩條路徑推進：一是降低器件級電子噪聲，如勢壘能帶工程、材料與界面優(yōu)化；二是減少入射背景光子通量，如冷屏蔽、光學(xué)視場控制。光譜極性工程開辟了第三條路徑：通過傳感器內(nèi)的背景電流對消，抑制平均背景偏移負擔，同時不改變殘余光子數(shù)漲落的物理下限。
圖1 光譜極性工程的概念框架
Ge/BP異質(zhì)結(jié)探測器中的光譜極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象
為在物理上實現(xiàn)光譜極性反轉(zhuǎn)，研究團隊構(gòu)建了Ge/BP混合維范德華異質(zhì)結(jié)器件：將少層黑磷通過干法轉(zhuǎn)移至p型摻雜的體鍺襯底上，在惰性氣氛中完成組裝以避免氧化。兩種材料接觸前呈現(xiàn)交錯的II型能帶排列：黑磷的價帶頂高于鍺的價帶頂，電子親和能分別為4.25 eV與4.00 eV，帶隙分別對應(yīng)中紅外與近紅外，為后續(xù)的光場調(diào)控提供了天然的能帶不對稱基礎(chǔ)，相關(guān)結(jié)果如圖2所示。
圖2 Ge/BP異質(zhì)結(jié)的光致內(nèi)建電場反轉(zhuǎn)實現(xiàn)確定光譜極性反轉(zhuǎn)
光譜極性工程的實用價值，很大程度上取決于反轉(zhuǎn)波長的可調(diào)控性——不同應(yīng)用場景需要匹配不同的背景輻射譜與目標信號波段，因此需要靈活定制極性反轉(zhuǎn)點，相關(guān)結(jié)果如圖3所示。研究團隊證明，通過調(diào)控鍺襯底的摻雜濃度，可確定性地調(diào)節(jié)反轉(zhuǎn)波長λR的位置。
圖3 Ge/BP異質(zhì)結(jié)的電學(xué)驗證與摻雜可調(diào)的光譜極性反轉(zhuǎn)
Ge/BP異質(zhì)結(jié)探測器在室溫下的紅外性能
在真實黑體輻射環(huán)境下，研究團隊系統(tǒng)評估了器件的室溫紅外探測性能，相關(guān)結(jié)果如圖4所示。在250 K至1150 K的黑體溫度范圍內(nèi)，實測短路電流與基于帶符號EQE譜計算的極性加權(quán)背景光電流高度吻合，直接證實了平均背景響應(yīng)由入射光子通量的帶符號光譜積分主導(dǎo)，驗證了光譜極性工程理論框架的正確性。
圖4 Ge/BP異質(zhì)結(jié)的抑制背景誘導(dǎo)偏置帶來的室溫紅外性能
系統(tǒng)級光譜分辨能力
為展示光譜極性工程的系統(tǒng)級價值，研究團隊搭建了單像素掃描成像原型，驗證極性響應(yīng)帶來的光譜鑒別與確定性干擾抑制能力。如圖5所示，實驗采用熱管作為中紅外目標，520 nm可見光激光作為受控光學(xué)干擾源，4000 nm中紅外激光提供目標照明，兩路光同時入射到探測器上，直接考察器件如何通過本征極性依賴響應(yīng)，將光譜不同的輸入轉(zhuǎn)換為差異化的電輸出。
圖5 基于極性工程Ge/BP光電探測器的可控光譜分辨與確定性抗干擾演示
定量分析進一步證實了對比度恢復(fù)的系統(tǒng)性，相關(guān)結(jié)果如圖6所示。隨著中紅外功率相對可見光干擾逐步提升，輸出分布從信號與背景高度重疊演變?yōu)榍逦蛛x，信號均值上升而背景均值下降，信噪比從-4.15 dB單調(diào)提升至37.72 dB。
圖6 光譜極性甄別的目標恢復(fù)定量分析
https://doi.org/10.1038/s41467-026-75093-7
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