基于外延Bi2Te3/GaAs异质结构的非制冷自供电可见光至极长波红外光探测器

《Infrared Physics & Technology》：Uncooled, self-powered visible-to-very-long-wave infrared photodetectors based on epitaxial Bi 2Te 3/GaAs heterostructure

　　

摘要

夜视、遥感以及智能感知网络的不断演进，引发了对高灵敏度和紧凑型宽带光电探测器的日益迫切需求。本文报道了一种基于垂直Bi₂Te₃/GaAs异质结构的高性能室温宽带光电探测器。利用分子束外延（MBE），成功实现了在GaAs(111)B衬底上大面积、可控合成高结晶度、成分均匀的退化型n型Bi₂Te₃拓扑绝缘体薄膜。通过发挥涵盖光伏效应、带间跃迁和光热电效应的协同多机制响应，所得到的垂直Bi₂Te₃/GaAs器件实现了从可见光（405 nm）深至甚远红外（21 μm）波段的综合光谱覆盖。该器件表现出快速的瞬态开关特性，在可见光至短波红外（VIS-SWIR）谱段范围内具有微秒级（μs）响应时间，同时保持了出色的室温比探测率（D*），在长波红外（LWIR）波段内超过10⁸ Jones。此外，由10 μm LWIR激励源驱动的概念验证单像素成像演示成功实现了对目标掩模构型的高保真度重建，直接验证了该器件在实际红外成像场景中的巨大潜力。这项工作为无制冷高性能宽带光电探测建立了新的材料-器件途径。

引言

在智能感知、机器视觉、自主系统和星载遥感的快速普及驱动下，光电检测平台正逐步从传统单波段模式向跨波段、多模态协同感知范式演进 [1], [2], [3]。在恶劣环境条件下——如弱光照明、浓雾遮挡、强热辐射背景和远距离目标识别场景——仅依赖可见光或单一红外波段的传统检测模式难以满足高精度和鲁棒感知的严格要求。因此，实现能够跨越可见光（VIS）至甚远红外（VLWIR, 14–21 μm）光谱范围的宽带高灵敏光电探测器，已成为构建下一代智能光电系统的基石 [4], [5]。目前，光电探测器分为两个不同的框架：可见光探测器，主要利用硅等宽带隙半导体来覆盖约0.4–0.9 μm的狭窄窗口；以及红外探测器，依赖于窄带隙体材料（如HgCdTe）和低维异质结构（如量子阱和量子点）来覆盖中波、长波和甚远红外波段 [6], [7], [8]。这种离散的材料二分法导致了材料选择、器件架构和读出集成电路（ROICs）的深刻异质性，严重阻碍了多波段光电系统的单片集成和小型化。此外，窄带隙红外光电探测器在室温下固有地存在严重的载流子热激发问题，导致大量暗电流和噪声 [9]。因此，这些系统通常要求在低温冷却装置下才能有效运行，从而限制了其在便携、紧凑和大规模集成光电平台中的应用。因此，开发能够在环境无制冷条件下运行且具有从可见光到VLWIR连续光谱响应的高性能光电探测器，仍然是亟待解决的关键科学瓶颈 [10]。

近年来，新兴的二维（2D）材料——如石墨烯、黑磷和过渡金属硫族化合物——由于其卓越的光电可调性，在室温红外检测中显示出巨大潜力 [11], [12], [13]。然而，2D材料的实际实施仍受限于大面积均匀合成和长期器件稳定性方面的挑战，使其难以同时满足宽带响应、高灵敏度和可扩展单片集成的严格要求。因此，探索替代材料平台和创新物理机制，以突破当前低维系统的固有效应瓶颈至关重要 [14], [15]。作为一种典型的三维（3D）强拓扑绝缘体，碲化铋（Bi₂Te₃）具有源于时间反演对称性保护下的无带隙狄拉克锥拓扑表面态（TSS）的独特光电特性 [16], [17]。其固有的窄体带隙使其在中波至长波红外波段具有强大的光响应，而拓扑表面态与自由载流子吸收（FCA）之间的协同耦合赋予了它超宽带光收集特性 [18], [19]。此外，Bi₂Te₃具有极低的晶格热导率和较高的塞贝克系数，在光学激发下驱动了显著的光热电（PTE）效应 [20]。这为亚带隙低能红外光子的高效电转换提供了有力的物理基础。因此，Bi₂Te₃提供了一个有趣的材料平台，用于超越限制宽带红外检测的传统带隙局限性 [21]。

在此，我们展示了利用垂直Bi₂Te₃/GaAs异质结构实现的室温高灵敏度宽带光电探测器。借助精确控制的分子束外延（MBE），在半绝缘GaAs(111)B衬底上成功实现了具有高结晶度和优异成分均匀性的退化型n型Bi₂Te₃拓扑绝缘体薄膜的可扩展合成。通过在单一器件架构内组织涵盖光伏效应、带间跃迁、自由载流子吸收和PTE效应的多机制协同响应，成功解锁了从可见光无缝延伸至VLWIR波段的超宽带光谱响应。该异质结光电探测器表现出快速的瞬态开关特性，在可见光至短波红外（VIS-SWIR）谱段范围内具有微秒级（μs）响应时间，同时在长波和甚远红外波段均保持了显着的室温比探测率（D*），超过10⁸ Jones。此外，由10 μm LWIR激励源驱动的概念验证单像素成像矩阵成功实现了对复杂目标掩模构型的高保真度重建，直接验证了该异质结在现实红外场景中的实用目标识别能力。本研究为下一代室温宽带光电探测提供了有前景的器件架构。

部分片段

结果与讨论

如图1a所示，Bi₂Te₃的菱方晶格构型具有层状架构，其中五原子片层通过弱范德华相互作用堆叠 [22]。按照图1b所述的全面制备序列，Bi₂Te₃薄膜外延生长于砷化镓（GaAs）衬底上。具有明显高对比度的条纹状反射高能电子衍射（RHEED）图案的出现，直接证实了原子级的光滑度。

结论

总之，基于外延垂直Bi₂Te₃/GaAs异质结构，成功开发出一种在室温下运行的高灵敏度自供电宽带（VIS至VLWIR）光电探测器。通过精确控制的分子束外延（MBE），在半绝缘GaAs(111)B衬底上外延合成了高质量的n型Bi₂Te₃拓扑绝缘体薄膜，具有均匀的组成。在光伏效应、带间

实验部分

材料生长与器件制备。利用分子束外延（MBE）系统（PerkinElmer 425B, Waltham, MA），将Bi₂Te₃拓扑绝缘体（TI）层直接外延生长在GaAs(111)B衬底上。使用高纯度Bi和Te元素粉末（99.9999%）作为源材料。在整个外延过程中，Bi与Te的束流比严格保持在约1:20，同时通过

CRediT作者贡献声明

蒋佳敏：撰写——初稿、可视化、验证、调查、数据整理。徐永康：验证、调查。何亮：方法学、调查。于贺：撰写——审阅与编辑、方法学、调查。韩佳月：可视化、调查。韩超：可视化、调查。苟军：调查、正式分析。王军：撰写——审阅与编辑、监督、资源、方法学、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响到本文报道的工作。

致谢

本工作部分得到国家重点研发计划（批准号：2023YFB3611400）、国家自然科学基金（NSFC）（62671115）和四川科技计划（2025YFHZ0340）的支持。

蒋佳敏|徐永康|何亮|于贺|韩佳月|韩超|苟军|王军

电子科技大学光电科学与工程学院，中国成都 610054