短波红外（SWIR）光电探测器在通信、天文学、医学和环境等领域具有极其重要的应用，如实现夜视、红外成像、远程探测和生物监测。与可见光和中红外光相比，短波红外光同时具有强大的抗干扰能力和穿透力。目前的商用短波红外探测器主要由InGaAs（0.9–2.6 µm）、InAs（1–3.8 µm）、HgCdTe（2.0–8.0 µm）等无机材料的外延生长构成，其优势包括覆盖红外波长间隙、高量子效率、快速响应、高电子迁移率和适中的介电常数。然而，由于载流子热激发的随机波动引起的噪声，这些短波红外探测器只能在低温（例如77 K）下工作，导致对体积的要求大且运行成本高。此外，这些短波红外探测器在开发过程中还面临大面积材料制备成本高、均匀性差和与CMOS不兼容等问题。因此，迫切需要探索能够在室温下、环境条件下工作且具有可靠性能特征的新型室温光电探测器。
目前，关于改善室温下短波红外探测器信噪比的方法主要集中在通过材料缺陷、杂质或异质结构界面处的光栅效应来增强光增益。尽管某些材料的光电器件提供了相当大的增益，但由于材料缺陷和俘获态的混沌分布，确保红外成像复合结构内非沟道层的均匀性仍然具有挑战性。像素会产生较大的漂移或扩散，无法获得极弱光信号的图像，这对窄带隙红外光电探测器影响尤为明显。
据麦姆斯咨询报道，为了实现超低噪声室温短波红外光电探测器，河北科技大学的研究团队提出了一种基于少层WSe₂/TCNQ分子电荷转移复合物的高灵敏度、超低噪声短波红外光电探测器，该探测器可在室温下工作。这项工作为开发室温下高灵敏度短波红外光电探测器开辟了一条新途径。
相关研究成果以“Exceptionally Low-Noise Room-Temperature Shortwave Infrared Photodetector Based on Low-Frequency Charge Transfer Transition”为题，发表在Advanced Functional Materials期刊。
研究人员首先探究了具有低频能隙的电荷转移配合物的形成，相关结果如图1所示。随后，对光门效应在增益产生中的相关性进行了测试，基于WSe₂/TCNQ电荷转移配合物的光电器件的机理和电路结构如图2a所示。
图1 基于少层WSe₂/TCNQ分子的电荷转移配合物的形成
图2 基于WSe₂/TCNQ混合器件的光电器件的机理和光电测量
实验和计算结果表明，低频（0.6 eV）短波红外吸收源于异质结界面处的分子间电荷转移跃迁。该混合光电探测器在从可见光到短波红外（0.6–1.6 µm）的范围内都能实现高效响应，在室温下通道耗尽状态下，增益高达7.7 × 10⁴，超低暗电流噪声谱密度（Sn）为1.95 × 10-¹⁶ A/Hz⁰˙⁵。在0.7 µm处的峰值比探测率为2.5 × 10¹³ Jones，在1.2 µm处为7.4 × 10¹² Jones（Vgs = 80 V）。
最后，该研究还针对基于2D半导体的光电探测器在室温下性能的比检测率进行了比较，基于 WSe2/TCNQ 的混合光电探测器表现出优异的性能，相关结果如图3所示。
图3 二维半导体光电探测器从可见光到短波红外区域的器件探测能力比较
综上所述，这项研究提出了一种通过WSe₂/有机分子杂化器件，实现了从可见光到短波红外波段的室温高性能光电探测器。TCNQ分子表现出很强的吸电子能力，使得WSe₂/TCNQ界面处电荷转移的形成变得复杂。该研究通过电荷转移跃迁实现了短波红外检测，为在室温下工作基于无机/有机异质结的光电探测器提供了理论依据。
https://doi.org/10.1002/adfm.202403433
《光谱成像市场和趋势-2022版》
