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应用，也是科学技术壁垒极高的一个研究领域。其中，高暗电流是长期以来制约红外探测器实现高工作温度的核心问题。单极势垒型红外探测结构的出现使上述问题得到了很好的解决。本工作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。具体来讲，nBn结构的导带势垒能有效阻挡吸收层中多数载流子运动，使多子扩散电流、表面漏电流、SRH复合电流、俄歇复合电流得到有效抑制，然而光电流并不会受到抑制。nBn结构探测器实现了超过10⁶的光开关比和2.7×10¹² cm Hz^1/2 W^-1室温探测率。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性能（2.3×10¹⁰ cm Hz^1/2 W^-1）。该结构器件的上升时间和下降时间分别为28 µs和23 µs。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。该成果以题为“Unipolar barrier photodetectors based on van der Waals heterostructures”发表在Nature Electronics, 2021, 4(5): 357-363.

图1（a）nBn单极势垒能带结构及器件设计示意图（b）pBp单极势垒能带结构及器件结构示意图（c）nBn单极势垒结构器件的光开关比-暗电流密度对比（d）pBp单极势垒结构器件的室温黑体红外探测性能对比 BLIP: Background Limited Infrared Performance

完成人：胡伟达（胡伟达教授工作室）

学术影响：Nature Electronics, 2021, 4(5): 357-363