哈尔滨工业大学AM.: 基于Bi2Se3/AlInAsSb异质结的自供电超宽光电探测器的双极调制：用于波长敏感成像和加密光通信

成果介绍

宽带光探测技术在现代科学技术中起着至关重要的作用，在遥感、成像、光通信、环境监测、医学成像、军事等领域有着广泛的应用。然而，随着技术的进步和应用需求的不断提高，宽带光电探测器面临着新的限制。首先，实现超宽光谱响应已成为关键要求。现有的宽带探测器难以同时有效地响应紫外、可见光和长波红外信号，限制了它们在超宽探测中的应用。其次，保证响应均匀性至关重要。许多宽带探测器仅在特定波长范围内表现出优异的性能，而在其他波段的响应较弱。这种不一致性影响了检测结果的准确性和可靠性。此外，在多光谱重叠条件下精确区分不同的光谱信号是一个亟待解决的问题。传统的宽带探测器难以在复杂的频谱环境中准确识别不同频段的信号，限制了其在信息处理和安全通信中的应用。为了解决这些问题，设计一种覆盖超宽波长范围、具有高响应均匀性并能准确区分不同光谱信号的PD已成为当前研究的热点和挑战。

为了实现超宽波长范围的覆盖，必须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，以确保重叠的响应带。在多光谱重叠的情况下，采用双极二极管对准确区分不同的光谱信号尤为重要。双极二极管可以提供正、负电流响应模式，大大提高了器件在光信号处理和识别方面的能力和灵活性。在双极PD的背景下，材料组合与极性反转之间的关系已经被广泛研究。但是这些传统手段实现双极响应通常依赖于复杂的器件结构或特定的材料组合，具有一定的局限性。    

有鉴于此，哈尔滨工业大学王金忠/矫淑杰团队设计了一种基于Bi2Se3/AlInAsSb异质结的自供电、可控极性反转、超宽光探测器（PD）。本设计不依赖于复杂的器件结构和繁琐的制造工艺，实现了灵活高效的双极光电响应。该器件具有250 ~ 1900 nm的光谱响应，涵盖了紫外、可见光和近红外区域，从而满足了超宽检测的要求。它具有高响应均匀性，在零偏下整个宽带范围内的探测率大于1010琼斯，显着增强了检测性能的一致性。它还可以实现650-680 nm波段内光电流的极性反转，从而允许在多光谱条件下精确区分光谱信号。PD的能力已经通过成像和加密通信实验得到验证，通过捕获全面的光谱数据，展示了其高质量的成像能力，与传统宽带探测器相比，其加密效率更高，增强了通信安全性。光探测技术的这些进步为未来光电子技术的创新应用铺平了道路，对信息技术和网络安全具有重要意义。文章以“Bipolar Modulation in a Self-Powered Ultra-Wide Photodetector Based on Bi2Se3/AlInAsSb Heterojunction for Wavelength-Sensitive Imaging and Encrypted Optical Communication”发表在Advanced Materials期刊上。

图文介绍    

图1.器件的制作与表征： a) Bi2Se3/AlInAsSb异质结PD的制作过程说明。i-AlInAsSb合金材料体系制备：利用MBE技术，在385℃下，在2英寸Te掺杂的n型GaSb（100）衬底上外延生长AlInAsSb。首先，在600 μm厚的GaSb衬底上生长了200 nm厚的掺杂Be 的GaSb缓冲层，然后生长了500 nm厚的未掺杂Al0.4InAs0.58Sb层。随后，生长了20 nm厚的InAs:Si 顶部接触层，最终制备了AlInAsSb合金材料。ii-Bi2Se3/AlInAsSb异质结制备：采用化学气相沉积（CVD）技术，在预先制备的1.0× 1.5 cm^2 AlInAsSb衬底上生Bi2Se3层，制备了Bi2Se3/AlInAsSb异质结构。新切割的云母用于覆盖一半的AlInAsSb基板，然后将其固定在倾斜45°的旋转托盘上。0.2 g Bi2Se3粉源物料放置在管状炉中央，旋转托盘放置在离中心约17 cm的下游，然后对炉进行密封，并启动CVD工艺。iii-异质结器件制备： Au作为电极材料被热蒸发到Bi2Se3和AlInAsSb上, 完成Bi2Se3/AlInAsSb异质结器件的制造。b) AlInAsSb的SEM和EDS图像。c) Bi2Se3的SEM和EDS图像。d) AlInAsSb的AFM图像。e) Bi2Se3的AFM图像。f) AlInAsSb和Bi2Se3/AlInAsSb的XRD谱图。g) AlInAsSb和Bi2Se3/AlInAsSb的PL光谱。

图2：a) AlInAsSb器件和b) Bi2Se3/AlInAsSb异质结器件在黑暗和250 ~ 1150 nm光照下的I-V曲线。c)-h) AlInAsSb和Bi2Se3/AlInAsSb器件在250、450、650、750、950和1150 nm照明下0 V时的I-T曲线。i) 250nm ~ 1150nm波长下，0 V下AlInAsSb和Bi2Se3/AlInAsSb器件的I-T比较。j)-n) Bi2Se3/AlInAsSb异质结器件在250、350、550、650和950 nm 0 V光照下的光响应时间图。

图3：a) 250 ~ 1150nm波长范围内AlInAsSb和Bi2Se3/AlInAsSb器件的响应度曲线。b) AlInAsSb和Bi2Se3/AlInAsSb器件在1150 ~ 1900 nm波长范围内的响应曲线。c) AlInAsSb和Bi2Se3/AlInAsSb器件在250 ~ 1150nm波长范围内的探测曲线。d) AlInAsSb和Bi2Se3/AlInAsSb器件在1150 ~ 1900 nm波长范围内的探测曲线。e) Bi2Se3/AlInAsSb器件在950 nm下零偏置和不同光强下的I-T曲线。f)光电流密度与光强的拟合曲线。g) 950 nm不同光强下Bi2Se3/AlInAsSb器件的探测曲线。h) 950 nm不同光强下Bi2Se3/AlInAsSb器件的EQE曲线。i) Bi2Se3/AlInAsSb器件在零偏置和950 nm光照下2000 s的I-T曲线，放大了前200 s和后200 s的视图。    

图4.： a) Bi2Se3/AlInAsSb器件在大气条件下储存三个月前后的光响应比较。b) Au、AlInAsSb和Bi2Se3的表面电位图。c) Bi2Se3的VB-XPS谱。d) AlInAsSb的VB-XPS谱。e) Au和AlInAsSb的能带图，以及黑暗和光照条件下AlInAsSb器件的载流子输运原理图。f) Bi2Se3和AlInAsSb的能带图，以及Bi2Se3/AlInAsSb异质结器件在紫外可见和红外照射下的载流子输运示意图。

图5：a) Bi2Se3/AlInAsSb异质结PD的单像素传感过程示意图。“H”、“I”、“T”三个字母的镂空掩模在250 ~ 1150nm范围内的光照下得到了“H”、“I”、“T”像素图像及其对应的I - T曲线，均为零偏测量。b) 290、650、680、950 nm的光源编码。c)光源编码传输信息解调图，码1对应字母“H”，码2对应字母“I”，码3对应字母“T”，码4对应字母“L”。d)加密光源编码。e)接收端Bi2Se3/AlInAsSb异质结PD示意图。f)第一组光信号对应的电响应曲线。g)解码后的信号矩阵。h)解密图像。

结论与展望

本研究成功地将窄带隙Bi2Se3与AlInAsSb结合开发了自供电的超宽异质结PD。该器件不仅解决了现有宽带探测器探测距离有限、响应不均匀等问题，而且提高了宽带探测器的实际应用潜力。此外，该研究为安全光通信提供了一种新的方法，展示了其在未来通信技术中的巨大前景。尽管这项研究取得了重大进展，但在极性反转的可控性以及将该设备集成到灵活的可穿戴应用中仍有优化的空间。未来的研究将集中在通过材料选择和接口优化来调整极性反转波长范围，以及将器件与柔性衬底集成到可穿戴应用中，以进一步扩展其实际用途。             

文献信息

Bipolar Modulation in a Self-Powered Ultra-Wide Photodetector Based on Bi2Se3/AlInAsSb Heterojunction for Wavelength-Sensitive Imaging and Encrypted Optical Communication

(Adv. Mater., 2024, DOI:10.1002/adma.202416935)

文献链接: https://doi.org/10.1002/adma.202416935    

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