中国科学院上海技术物理研究所胡伟达研究员与复旦大学周鹏教授课题组在新型光电探测器的研究中取得了重要进展。研究成果以“范德瓦尔斯单极势垒光电探测器（Unipolar barrier photodetectors based on van der Waals heterostructures）”为题，于2021年05月25日发表在Nature Electronics杂志上。 光电探测器按照探测波段可分为紫外探测器、可见光探测器、红外探测器。特别是红外探测器作为遥感技术的核心芯片，广泛应用于国防安全、航天航空、气象观测、资源环境、工业农业、生命科学和科学仪器等重要领域。根据探测机制不同，红外探测器分为热探测器和红外光电探测器。在抗击新冠疫情中，发挥重要作用的红外热像仪核心部件大部分属于成本较低的热探测器，温度分辨率相对较低。而红外光电探测器由于在制导、反导、夜视、侦查等军事领域的重要作用和敏感性，是现代科技追逐的制高点之一，也是科学技术壁垒极高的一个研究领域。我国必须突破高性能红外探测物理技术的核心瓶颈问题，以求实现独立发展。其中，暗电流的抑制是长期以来制约红外探测器实现高工作温度（High Operating Temperature, HOT）的核心瓶颈。继1935年贝尔实验室制造出第一个Si基PN结以来，利用耗尽区内建电场阻挡多子扩散已经成为降低暗电流的主流手段。然而在传统PN结红外探测器中，耗尽区过高的Shockley-Read-Hall（SRH）复合和表面复合严重限制了其暗电流抑制的理论极限。因此，红外领域的学者们一直致力于寻求一种跨越PN结的新型器件构造。其中，21世纪初提出的单极势垒型红外探测结构问世不久就受到了百年军火商洛克希德马丁公司的青睐。然而这种结构对能带和晶格匹配的要求极其苛刻，在利用传统外延薄膜材料构建单极势垒型红外探测器的过程中，能带和晶格失配效应使得器件暗电流抑制和量子效率提高面临着难以突破的瓶颈，目前仅某些国际巨头可实现77-120 K低温工作中波红外探测器。 近日，胡伟达研究员和周鹏教授团队独辟蹊径，创新性地利用二维原子层堆叠实现了能带局域态操控，构建的范德瓦尔斯单极势垒探测器突破性地解决了传统材料势垒结构外延生长晶格失配以及组分能带梯度难以控制的问题。该工作利用势垒阻挡吸收层中多数载流子运动，控制产生器件SRH电流的耗尽区分布向宽带隙的势垒层中转移，有效降低器件SRH电流；同时，随吸收层载流子浓度下降，决定器件HOT噪声水平的俄歇复合被大幅抑制；此外这种单级势垒结构具有类表面钝化的表面隔离作用，阻碍表面态诱导产生复合和隧穿，可大幅降低器件表面漏电。该结构从根本上降低了长期以来困扰窄禁带二维材料红外探测器HOT暗电流过高的几大重要机制。令人振奋的是，范德瓦尔斯pBp单极势垒探测器在中波红外室温显示出优异的黑体探测率（黑体探测率是国际标准化组织指定评价红外探测性能的“国际标准”指标）2.3×1010cmHz1/2W-1。目前只有极少数的二维材料红外探测器可以呈现出室温黑体响应，这意味着该工作实现了二维材料跨入红外实用领域的关键突破。
