本文介绍了一项关于自供电超宽带光电探测器的研究，该研究由Yajie Han、Shujie Jiao、Xiangyu Zhang等作者共同完成，研究团队主要来自哈尔滨工业大学材料科学与工程学院和中国科学院半导体研究所。该研究于2024年发表在《Advanced Materials》期刊上，题为《Bipolar Modulation in a Self-Powered Ultra-Wide Photodetector Based on Bi2Se3/AlInAsSb Heterojunction for Wavelength-Sensitive Imaging and Encrypted Optical Communication》。
宽带光电探测器（Photodetectors, PDs）在现代科技中具有重要应用，涵盖军事侦察、环境监测和医学成像等领域。然而，现有的宽带探测器面临诸多挑战，如探测范围有限、光响应不均匀以及难以区分多光谱信号等。为了解决这些问题，本研究提出了一种基于Bi2Se3/AlInAsSb异质结的自供电超宽带光电探测器。该探测器能够在250 nm至1900 nm的宽波长范围内检测信号，表现出优异的光电性能，最大响应度（Responsivity）为0.5 A/W，探测率（Detectivity）为4.2 × 10^12 Jones，开关比为1.1 × 10^4，外量子效率（External Quantum Efficiency, EQE）达到71.4%。此外，该探测器在整个宽带范围内的探测率均超过10^10 Jones，显著提高了光响应的均匀性。特别值得注意的是，由于两种材料在不同光谱范围内的能带对齐差异，该探测器在650-680 nm范围内表现出光电流极性反转现象。利用其宽带和双极性特性，该探测器成功实现了通信系统中的信息加密，增强了通信的安全性和保密性。
研究的主要流程包括材料制备、器件制造和性能测试。首先，研究团队通过分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）技术在GaSb衬底上生长了AlInAsSb合金材料。随后，利用化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）技术在AlInAsSb衬底上生长了Bi2Se3层，形成了Bi2Se3/AlInAsSb异质结。器件制造过程中，通过热蒸发技术在Bi2Se3和AlInAsSb上沉积了Au电极，最终制备了Bi2Se3/AlInAsSb异质结光电探测器。
在性能测试方面，研究团队使用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）和光致发光（PL）等技术对材料的表面形貌、元素组成和分布进行了表征。光电性能测试则通过光电流-电压（I-V）和光电流-时间（I-t）曲线进行，测试了器件在250 nm至1900 nm波长范围内的光电响应特性。
研究结果表明，Bi2Se3/AlInAsSb异质结探测器在零偏压下表现出从250 nm到1900 nm的超宽带响应，探测率在整个宽带范围内均超过10^10 Jones，显示出高性能和均匀的探测能力。最大响应度和探测率分别为0.5 A/W和4.2 × 10^12 Jones，红外区域的外量子效率高达71.4%。特别值得注意的是，探测器在650-680 nm波长范围内表现出光电流极性反转现象，这为多波段检测和加密光通信提供了新的机会。
通过实验验证，该探测器在成像和加密通信中表现出优异的性能。在成像实验中，探测器能够捕获全面的光谱数据，生成高质量的图像。在加密通信实验中，探测器通过其宽带响应和双极性特性，成功实现了信息加密，展示了其在未来光电子学中的创新应用潜力。
本研究成功开发了一种基于Bi2Se3/AlInAsSb异质结的自供电超宽带光电探测器，解决了现有宽带探测器在探测范围和响应均匀性方面的挑战。该探测器不仅在光电性能上表现出色，还通过其宽带和双极性特性为加密光通信提供了新的解决方案。尽管研究取得了显著进展，但在极性反转的可控性和器件柔性集成方面仍有优化空间。未来的研究将聚焦于通过材料选择和界面优化调整极性反转波长范围，并将器件集成到柔性基底上，以进一步扩展其实际应用。
该研究不仅推动了宽带光电探测器技术的发展，还为加密光通信提供了创新的解决方案，具有重要的科学和应用价值。通过结合Bi2Se3和AlInAsSb两种窄带隙材料，研究团队成功实现了超宽带光电响应和高性能探测，为未来的光电子学和通信技术开辟了新的研究方向。