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，因此廣泛應用于民用和軍事領域。當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)大學先進半導體器件與光電集成團隊在光電子器件領域取得重要進展，研究團隊研發(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體光電子器件及相關光電集成技術方面的研究工作。

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。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基金、安徽省重點研發(fā)計劃、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金等項目的資助。