中科院上海技物所团队基于Ge/BP异质结实现光谱极性反转，通过波长依赖的光电流极性切换抑制背景诱导平均电流，室温比探测率达7.89×10¹¹ Jones，为抗背景干扰红外探测与多光谱成像提供研究思路。
上海技物所卢伟/李冠海/陈晓双Nat Commun：基于光谱极性反转的室温高灵敏度红外光电探测新策略
【研究背景】
红外光电探测技术在夜视侦察、空间遥感、环境监测以及生物医疗等诸多领域发挥着重要作用。然而，在室温条件下实现高灵敏度的红外探测，长期以来一直面临着宽带热辐射（即黑体辐射）带来的严峻挑战。在典型的环境温度下，环境中的物体无时无刻不在向外发射红外光子，这些背景光子不仅会引入随机的光子涨落（即光子散粒噪声），此外，它们会在探测器中产生确定性的平均光电流偏移。
传统的红外探测器在设计时遵循一个核心假设：所有能量高于材料带隙的光子，均以相同的极性参与电信号的读取。这种单极性、宽带光谱积分的特性，导致在固定黑体光照条件下，背景辐射引起的光电流变得不可避免。当探测器接收到的信号光十分微弱时，巨大的背景光电流及其伴随的噪声往往会将有用信号淹没。这一物理限制被经典的Law基准模型所界定，即典型环境条件下红外探测器受背景限制的性能极限（BLIP）。为了突破这一极限，传统方法往往依赖于昂贵且复杂的制冷系统来降低背景热辐射，或者采用复杂的光学滤波、时域调制及平衡读出电路来抵消背景信号。因此，如何在室温下从器件物理层面直接抑制背景诱导电流，成为了红外光电探测领域亟待解决的核心瓶颈。
【工作简介】
针对上述挑战，中国科学院上海技术物理研究所联合新加坡国立大学、上海科技大学等单位，提出了一种新的“光谱极性反转”机制。该研究团队巧妙地利用混合维度范德华异质结中的光致能带重构效应，设计并实现了波长依赖性的光电流反转。在这一创新机制下，不同光谱带的光子能够在同一个器件中产生符号完全相反的响应，为在环境条件下实现高灵敏度红外光探测提供了新途径。
基于此原理，团队成功构建了基于锗/黑磷（Ge/BP）范德华异质结的光电探测器。该器件在室温（300 K）下展现出了以下性能：其比探测率（D*）达到了 7.89×1011 Jones，相比统一量子效率积分型探测器的背景限制基准，性能提升了约4倍。更为巧妙的是，尽管该器件的外部量子效率（EQE）仅为约10%，但得益于背景电流的自抵消效应，其背景诱导电流密度（约1.8×10-6 A·cm-2）显著低于传统积分型器件的预期值。这一工作不仅在器件物理层面实现了重大突破，更为室温抗背景干扰检测、紧凑型多光谱成像及自适应光电系统提供了全新的技术路径。相关成果已发表在国际学术期刊《Nature Communications》上。
【内容表述】
光谱极性反转的物理机制与器件设计
传统探测器之所以无法摆脱背景噪声的困扰，根源在于其“单极性积分”特性。为了打破这一僵局，研究团队提出了“光谱极性反转”策略。该策略的核心在于设计一种波长依赖性的光电流反转效应，使得在固定的黑体光照条件下，无需任何外部减法电路或平衡读出模块，即可在物理层面上直接抑制背景诱导的平均电流。
在器件实现方面，团队选择了少层黑磷（BP）与p型掺杂锗（Ge）构建范德华异质结。通过高精度的干法转移技术，将少层黑磷转移至p型Ge衬底上，形成了交错型（Type-II）能带结构。这种特殊的能带排列为光生载流子的空间分离提供了内建电场基础。更为关键的是，当长波长的红外光激发黑磷层时，会在其中诱导空穴的积聚，进而形成局域化的价带势垒。这一势垒能够可逆地反转异质结内部的电场方向，从而为“光谱极性反转”提供了坚实的物理基础。
Ge/BP异质结中的波长依赖性极性切换
在该Ge/BP异质结器件中，研究团队观察到了明显的波长依赖性极性切换现象。实验表明，在特定的反转波长（λR ≈ 3.1 μm）处，器件的外部量子效率（EQE）发生了明显的极性反转。具体而言，当入射光波长小于λR时，器件产生正向光电流；而当入射光波长大于λR时，器件则产生负向光电流。
这种极性反转并非偶然，而是可以通过材料工程进行精确调控的。通过改变Ge衬底的掺杂浓度，团队成功实现了三种不同极性反转波长（λR ≈ 2、2.5和3 μm）的器件。这意味着，研究人员可以根据实际应用场景中背景辐射的光谱分布，灵活定制探测器的“零交叉点”，从而优化背景抵消效果。这种通过混合维度范德华异质结构实现的光致能带重构，为红外探测器的光谱响应设计提供了一个全新的自由度。
室温红外探测性能与背景抑制
基于光谱极性反转机制，该Ge/BP探测器在室温下展现出了较好的背景抑制能力和探测灵敏度。测试数据显示，在室温（300 K）条件下，器件的检测灵敏度（比探测率 D*）达到了 7.89×1011 Jones。在文中所述测试与比较条件下，该数值较传统统一量子效率积分型探测器的背景限制基准（BLIP）提升了约4倍。
值得强调的是，尽管该器件的外部量子效率（EQE）仅为约10%，但其D*值却接近理想集成型探测器的基准。这充分证明了“光谱极性反转”机制在抑制背景诱导平均电流方面的潜力。在强背景辐射下，背景诱导电流密度被有效压制在约1.8×10-6 A·cm-2的水平，显著低于传统器件的预期值。这表明，光谱极性工程可以作为红外探测器设计中的新维度，它并不替代现有的暗电流抑制策略，而是作为一种强有力的补充手段，从根本上改变了探测器对背景辐射的响应方式。
系统级成像验证与抗干扰能力
为了验证该器件在实际应用中的潜力，研究团队进一步构建了单像素扫描成像原型系统，并进行了严苛的抗干扰测试。在实验中，当存在强烈的可见光（520 nm）干涉时，商用ccd相机的目标对比度急剧下降，几乎无法分辨目标信号。相比之下，Ge/BP探测器凭借其独特的光谱极性反转特性，依然能够清晰地保持目标信号的可辨识性。
随着信号光强度的增加，系统的信噪比（SNR）从 -4.15 dB 单调上升至 37.72 dB。实验还表明，这一成像对比度恢复能力，无需依赖传统的光学滤波、时域调制、平衡读出或复杂的计算后处理算法。这证明了基于光谱极性反转的探测器在复杂、恶劣的光照环境下具有应用潜力和鲁棒性，为未来开发紧凑型、抗干扰的多光谱成像系统奠定了坚实基础。
【结论】
综上所述，中国科学院上海技术物理研究所等机构联合提出光谱极性工程策略，该策略能够重构红外光电探测器中宽带背景辐射向电信号的转换过程。通过利用混合维度 Ge/BP 异质结中光诱导的内电场反转效应，我们实现了确定性的极性反转光谱响应特性，从而在光电转换阶段实现对平均背景诱导光电流偏移量的内在重新分布与抑制。这一重新加权机制从根本上区别于传统的积分式检测、平衡读出或后处理方法——这些方法均作用于光载流子产生之后的环节。
因此，尽管该 Ge/BP 器件的外部量子效率尚处于较低水平，但其室温探测率已接近背景限制基准值，这表明探测器性能的提升不仅可通过增强吸收效率实现，还可通过优化背景光子的电学转换方式来实现。除当前在器件层面取得的性能表现外，我们的研究结果还确立了光谱极性作为红外探测器设计中的一项额外自由度。该机制并非替代现有的暗电流抑制策略，而更应被视为对这些策略的补充——因为它直接针对宽带热光照射下由背景噪声引起的平均偏移量，而非暗电流本身。由于这种抵消效应是在单个器件内实现的，无需采用双通道减法或外部差分电路，因此该概念在原理上可扩展至其他异质结平台、更宽的光谱范围、焦平面阵列以及片上成像架构。这一系统级演示进一步阐明了此类极性工程化探测器如何在强干扰环境下直接区分光谱特性不同的信号，从而将光电探测器从被动的宽带积分器转变为主动的光谱判别器。展望未来，要在实际系统中实现这一潜力，需在异质结均匀性、光谱零交叉点控制、长期界面稳定性以及与读出电路及集成光子学结构的协同优化方面取得进一步进展。因此，我们设想将光谱极性工程化作为一种面向未来红外传感技术的通用框架，为实现抗背景干扰检测、紧凑型多光谱成像以及在真实环境条件下运行的自适应光电子系统提供机遇。
【文章详情】
论文标题：Spectral polarity inversion for background-offset cancellation in a sensor for sensitive infrared photodetection（基于混合维数范德华异质结中传感器内背景偏移抵消技术实现的高灵敏度红外光电探测）
作者列表：李欣, 王健, 傅金涛, 刘兴西, 余飞龙, 陈晋, 赵宇, 王杰, 郭佳阳, 宋玉星, 杨佳吉, 邱成伟, 李冠海, 陈晓双, 卢伟
【通讯作者简介】
李冠海：中国科学院上海技术物理研究所研究员。主要从事新型红外光电器件物理与材料、低维半导体异质结光电探测等方向的研究，在红外探测器新材料与新机制方面取得了多项系统性创新成果。
陈晓双：中国科学院上海技术物理研究所研究员。长期致力于红外物理与光电技术领域的研究，在红外探测器设计、半导体光电子学以及新型光电材料器件等方面具有深厚的学术造诣和丰富的研究经验。
邱成伟：新加坡国立大学电气与计算机工程系研究员。研究方向聚焦于二维材料及其异质结的光电特性、柔性光电器件以及新型光电探测技术，在国际高水平期刊发表了多篇具有重要影响力的学术论文。
卢伟：中国科学院上海技术物理研究所研究员。主要研究领域涵盖红外物理、半导体光电子学及新型红外探测器技术。在红外探测器背景抑制、高性能室温红外探测等前沿方向开展了大量开创性工作，是该领域的知名专家。
设备推荐：AUT-XperRam显微共聚焦光电成像系统
作为本项前沿研究的“幕后功臣”，AUT-XperRam 显微共聚焦光电成像系统以其光谱表征性能和紧凑的设计，为相关实验室提供设备选型参考。
核心优势：
共聚焦设计，高分辨率：标配共聚焦光路，可实现亚微米级的空间分辨率，精准探测微小区域的信号，有效排除背景干扰。
光谱性能与稳定性：采用高稳定性光谱仪和高灵敏度探测器，支持高信噪比光谱采集和长期稳定测量，满足严苛的科研需求。
操作便捷，功能强大：配备用户友好的软件系统，可轻松实现光谱采集、成像、分析及自动化测量，提升科研效率。
昊量光电的创新正在重塑科研仪器的价值标准。国际品牌比拼分辨率、速度等参数时，昊量已将仪器打造成 “一站式科研解决方案”。其定制化系统助力二维材料、光电器件等领域突破研究瓶颈，电子科技大学、上海技物所等高校和研究机构的连续采购印证了这一路线的正确性。
欢迎直接联系昊量光电
关于昊量光电：
昊量光电凭借强大的本地化销售网络与专业技术支持团队，长期服务于国内数以万计工业及科研客户，涵盖半导体、生物医疗、量子科技、精密制造、生物显微、物联传感、材料加工、光通讯等前沿领域。
昊量光电拥有的专家级的软硬件开发团队及丰富的行业应用经验，可提供：
✅ 全天候售后技术支持——快速响应，确保设备稳定运行；
✅ 定制化解决方案——从售前咨询到安装，培训，系统集成等，满足多样化需求；
✅ 客户高度认可——服务案例覆盖众多头部企业及高端科研机构，客户满意度持续居前列。
您可以通过我们昊量光电的官方网站www.auniontech.com了解更多的产品信息，或直接来电咨询4006-888-532。
展示全部 
