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张月蘅课题组在新型超宽谱光电探测器上的研究进展

近日,Science Advances发表了题为“Broadband and photovoltaic THz/IR response in the GaAs-based ratchet photodetector”的研究工作(Sci. Adv. 8, eabn2031 (2022))。该论文提出了一种基于GaAs/AlxGa1-xAs异质结的量子棘轮结构。这种结构综合利用了电泵浦实现的热载流子注入效应、自由载流子吸收和从轻、重空穴带到自旋轨道分裂带的光跃迁等多种吸收机制,突破了界面势垒的限制,实现了从近红外到太赫兹波段(4-300太赫兹)的超宽谱光响应。

A.   量子棘轮探测器结构. B. 探测器能带结构. C. 器件PL光谱. D.探测器微观机制示意图.

近年来,红外(IR)/太赫兹(THz)光电探测器已经引起了极大的关注。然而,设计高性能的宽带红外/太赫兹探测器一直是个巨大的挑战。在宽谱探测器领域,一直是热探测器占据主要地位,但热探测器难以实现高速探测。光子型探测器具有可调节的响应范围、良好的信噪比和非常快的响应速度。量子阱探测器(QWP)响应速度快,灵敏度高,光子响应范围灵活可调,是性能优异的光子型红外/太赫兹光电探测器。但窄带特性使其覆盖波段十分有限。内光发射探测器(IWIP)由于其正入射响应机制、宽谱响应以及可调的截止频率,一直被认为是极具竞争力的宽带红外/太赫兹光电探测器。但其激活能低,导致较大的暗电流,需要在极低的温度(液氦温区)下工作。量子点探测器可以在高温下实现太赫兹探测和正入射响应,但可靠性和可重复性仍然是一个巨大的挑战。光泵浦热空穴效应探测器(OPHED)基于热-冷空穴的能量转移机制进行探测,可以突破带隙光谱的限制,实现超宽谱的红外/太赫兹探测。其探测波长可调,同时能够抑制暗电流和噪声。然而,依赖于外部光学激励的热空穴注入是太赫兹探测的前置条件,这大大增加了OPHED的复杂性。

A.暗电流随温度变化  B. 暗电流与常用太赫兹探测器对比  C. 零偏压下微观响应机制  D. 量子棘轮探测器光响应谱.

应用物理与计算数学研究所白鹏与亚搏全站手机客户端张月蘅、沈文忠研究组提出了一种基于GaAs/AlxGa1-xAs量子棘轮新结构的超宽谱光子型探测器。该探测器能实现正入射响应,响应范围覆盖4-300THz,远超其他光子类型的探测器的覆盖范围。此外,该器件即使在零偏置电压下也能产生明显的光电流。其峰值响应率达7.3 A/W,比OPHED高出五个数量级。由于量子棘轮能带结构的不对称性,器件的响应在正负偏压下也表现出明显的差别。在温度低于 77K时,由于量子棘轮效应,探测器表现出明显的整流行为,器件暗电流比现有的光子型探测器低得多,噪声等效功率低至3.5 pW?Hz?1/2,探测率高达2.9 × 1010 Jones,展示出其在高温下工作的潜能。

该项研究中展示了一种新型超宽带太赫兹/红外光电探测器。在无任何光耦合结构设计的情况下,这种成像器件具备很宽的光谱探测范围(4-300THz),快响应速度,低噪声等效功率和高探测率,为发展高温高速的超宽谱光电探测器件奠定了基础。

该工作近日发表于Science Advances (Sci. Adv. 8, eabn2031 (2022))上。共同第一作者北京应用物理与计算数学研究所助理研究员白鹏和张月蘅课题组博士研究生李晓虹,共同通讯作者为应用物理与计算数学研究所楚卫东研究员、亚搏全站手机客户端张月蘅教授和清华大学赵自然教授。研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科技自然科学基金、博士后基金和亚搏全站手机客户端“人工结构及量子调控”教育部重点实验室开放课题的经费支持。亚搏全站手机客户端张月蘅课题组承担并参与了器件设计、器件性能测试表征及论文写作方面的工作。

论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn2031

 

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