紅外雙波段光電探測器是重要的多光譜探測器件，特別是近紅外/短波紅外區(qū)域，相較于可見光有更強(qiáng)的穿透能力，相較于中波紅外可以以較低的損耗識別冷背景的物體，因此廣泛應(yīng)用于民用和軍事領(lǐng)域。當(dāng)前紅外雙波段探測器主要面臨光譜不可調(diào)諧，器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜而不易與讀出集成電路相結(jié)合的挑戰(zhàn)。

近日，合肥工業(yè)大學(xué)先進(jìn)半導(dǎo)體器件與光電集成團(tuán)隊在光電子器件領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，研究團(tuán)隊研發(fā)了一種光譜可調(diào)諧的近紅外/短波紅外雙波段探測器，相關(guān)研究成果以“Bias-Selectable Si Nanowires/PbS Nanocrystalline Film n–n Heterojunction for NIR/SWIR Dual-Band Photodetection”為題，發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials, 2023: 2214996.）。第一作者為許晨鎬，通訊作者為羅林保教授，主要從事新型高性能半導(dǎo)體光電子器件及相關(guān)光電集成技術(shù)方面的研究工作。

該研究使用溶液法制備了硅納米線/硫化鉛異質(zhì)結(jié)光電探測器（如圖1（a）），工藝簡單，成功將硅基探測器的光譜響應(yīng)拓寬到2000 nm。基于有限元分析法的COMSOL軟件分析表明，一方面，有序的硅納米線陣列具有較大的器件面積，提升了載流子的輸運能力，且納米線陣列具有較好的周期性，入射光可以在納米線結(jié)構(gòu)之間連續(xù)反射，產(chǎn)生典型的陷光效應(yīng)。另一方面，小尺寸的納米線陣列可以看作是微型諧振器，可以形成HE??諧振模式，增強(qiáng)特定入射光的光吸收。

通過調(diào)制外加偏壓的極性，器件可以實現(xiàn)近紅外/短波紅外雙波段探測、近紅外單波段探測、短波紅外單波段探測三種探測模式的切換。器件還具有較高的靈敏度，在2000 nm光照下的探測率高達(dá)2.4 × 101? Jones，高于多數(shù)短波紅外探測器。

圖1 雙波段紅外探測器結(jié)構(gòu)圖及相關(guān)仿真和實驗結(jié)果

圖2 偏壓可調(diào)的近紅外/短波紅外雙波段探測及探測率隨光強(qiáng)的變化曲線

此外，該研究還搭建了單像素光電成像系統(tǒng)（如圖3（a）），在2000 nm光照下，當(dāng)施加-0.15 V和0.15 V偏壓時，該器件能對一個簡單的英文字母實現(xiàn)成像。但是不施加偏壓時，缺無法清晰成像。這表明只需要對器件施加一個小的偏置電壓時，就可以將成像系統(tǒng)的工作區(qū)域從近紅外調(diào)整到短波紅外，具有較高的靈活性。

圖3 光電成像系統(tǒng)及成像結(jié)果

這項研究得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省重點研發(fā)計劃、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金等項目的資助。