【仪表网 研发快讯】近日，东南大学倪振华教授、吕俊鹏团队提出了基于二维材料垂直沟道异质结的室温红外探测器，实现了从紫外到中波红外的超宽波段、高灵敏、高速、室温红外探测。相关成果以《基于二维材料垂直沟道异质结的高灵敏高速宽波段中红外探测器》(“High-sensitivity, high-speed, broadband mid-infrared photodetector enabled by a van der Waals heterostructure with a vertical transport channel” )为题发表在Nature Communications上。
如何实现兼具高速、高灵敏、宽波段响应的室温红外探测器一直是红外探测领域存在的核心瓶颈问题。其中基于传统材料的中波红外探测器面临复杂制备工艺、需低温制冷降低暗电流、难以小型化集成化等挑战。二维材料异质结堆叠免受晶格匹配限制、能带多样覆盖超宽波段、超薄柔性易于调控，在降低室温暗电流、实现宽波段探测、片上集成与智能化处理等方面展现出巨大潜力。然而，尽管现阶段基于二维材料的室温红外探测器已经取得了重要进展，但其性能与商用制冷型红外探测器相比仍有差距。
针对这一难题，倪振华、吕俊鹏团队和南京师范大学物理科学与技术学院刘宏微团队合作，提出了具有垂直沟道结构的石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯范德华异质结，实现了不同性能指标的协同优化。垂直沟道与水平沟道相比具有如下优势：一是更高的传输效率。垂直沟道将载流子传输路径缩短到数十纳米，比水平沟道短三个数量级，使光生载流子在复合之前被电极收集，提升器件量子效率。二是更短的渡越时间。垂直沟道更短的传输距离结合沿沟道方向的内建电场，减少了载流子渡越时间，提升器件响应速度。三是更高的收集效率。石墨烯高载流子迁移率有助于快速提取载流子到外部电路。通过多个维度的协同优化，最终实现了比探测率高达2.38×1011 cmHz1/2W-1(接近黑体辐射背景限理论极限)，响应速度快至10.4纳秒，响应波段覆盖紫外到中波红外(325 nm – 3800 nm)的室温自驱动高性能红外光电探测器。探测器性能达到了商用制冷型碲镉汞探测器水平，为下一代室温高性能红外探测器的发展提供了新思路。
东南大学电子科学与工程学院、物理学院倪振华教授、吕俊鹏教授，物理学院张嘉霖教授，南京师范大学刘宏微教授为本文的共同通讯作者。集成电路学院吴建峰副研究员和物理学院张嘉霖教授为本文的共同第一作者。该研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金和江苏省自然科学基金等项目的资助。
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