宽带光电探测技术在现代科技中扮演着关键角色，广泛应用于遥感、成像、光通信、环境监测、医学成像和军事等领域。然而，随着技术发展和应用需求的增加，宽带探测器面临诸多挑战。首先，实现超宽光谱响应是关键，现有探测器难以同时高效响应紫外、可见光和长波红外信号。其次，响应均匀性至关重要，探测器仅在特定波长范围内表现优异会影响探测结果的准确性和可靠性。此外，在多光谱重叠条件下，传统探测器难以准确区分不同光谱信号，限制了其在安全通信中的应用。因此，设计一种能够覆盖超宽波长范围、具有高响应均匀性并能准确区分不同光谱信号的光电探测器，成为当前研究的热点和挑战。
为了实现超宽波长覆盖，有必要引入窄带隙半导体材料。高响应均匀性依赖于带隙匹配和接近，以确保重叠的响应波段。在多光谱重叠条件下，双极光电探测器尤为重要，能够提供正负电流响应模式，显著增强设备在光信号处理和识别方面的能力和灵活性。材料组合与极性反转之间的关系已得到广泛研究。例如，基于CdSe和Bi₂Se₃吸收层的非对称异质结器件，实现了波长依赖的双极响应，适用于选择性波长灵敏度的应用。进一步调节材料和优化结构，以实现更广泛的探测能力、提高响应效率，并将其应用范围扩展到紫外范围之外，仍是未来发展的关键领域。
据麦姆斯咨询报道，近日，哈尔滨工业大学与中国科学院半导体研究所的科研团队提出了一种将窄带隙Bi₂Se₃与AlInAsSb结合开发了自供电的超宽异质结光电探测器（如图1）。该器件在零偏置下工作，在250 ~ 1900 nm范围内具有超宽响应，在所有波长范围内的探测率超过10¹⁰ Jones，表明了高性能和均匀的探测能力。该探测器已成功应用于成像和加密光通信，并表现出高品质的成像和优越的加密性能。这项研究以“Bipolar Modulation in a Self-Powered Ultra-Wide Photodetector Based on Bi2Se3/AlInAsSb Heterojunction for Wavelength-Sensitive Imaging and Encrypted Optical Communication”为题发表在Advanced Materials期刊上。
图1 超宽异质结光电探测器制造过程及形貌表征
为了研究AlInAsSb器件和Bi₂Se₃/AlInAsSb异质结器件在黑暗和光照条件下的光响应特性，研究人员测量了这两种器件在250 - 1150 nm波长范围内的光电流-电压（I-V）和光电流-时间（I-t）特性，相关结果如图2所示。
图2 AlInAsSb器件和Bi₂Se₃/AlInAsSb异质结器件的I-V和I-t特性
电荷（q）和有效面积（S）两个参数直接决定了光电探测器的灵敏度和准确性，影响光电探测器在通信、成像及环境监测等应用中的有效性。因此，研究人员对AlInAsSb器件和Bi₂Se₃/AlInAsSb异质结器件的性能做了测试，结果如图3所示。
图3 AlInAsSb器件和Bi₂Se₃/AlInAsSb异质结器件的性能表征
研究人员对Bi₂Se₃/AlInAsSb异质结器件的稳定性、耐用性以及器件内部的能量变化原理做了细致的研究，相关结果如图4所示。
图4 Bi₂Se₃/AlInAsSb异质结器件能量转换原理解析
为了评估Bi₂Se₃/AlInAsSb异质结光电探测器的成像潜力，研究人员将该器件作为单像素传感器（捕获光信号并将其转换为电信号），接着对其电信号进行集成和处理，从而生成高质量的图像。相关实验结果如图5所示。在250 - 1150 nm波段的光源照射下，研究人员发现该器件紫外波段与红外波段之间的光电流响应存在显着差异。值得注意的是，该器件在650 - 680 nm波段内发生了光电流极性反转。这一特性突出了该探测器在加密光通信中的应用潜力。
图5 Bi₂Se₃/AlInAsSb异质结光电探测器的成像和加密光通信应用
综上所述，这项研究通过选择Bi₂Se₃和AlInAsSb这两种具有相似带隙的窄带隙材料，构建了Bi₂Se₃/AlInAsSb异质结，成功实现了超宽带光电探测器的性能突破。材料的带隙、电子迁移率、光吸收特性等参数直接影响着探测器的响应范围、响应速度和量子效率等关键性能指标。通过精确控制材料的组成和结构，可以实现对光电探测器性能的精细调控。该Bi₂Se₃/AlInAsSb异质结光电探测器展现出独特的双极特性，即在650-680 nm波段发生光生电流极性反转。这一特性为多光谱探测和加密光通信等领域提供了新的应用思路。在多光谱成像中，双极光电探测器能够更精确地分辨不同波长范围内的光信号，有助于获取更丰富的光谱信息，提高成像质量。
https://doi.org/10.1002/adma.202416935
延伸阅读：
《石墨烯市场和二维材料评估-2023版》
