华中科大与中国电科44所实现超高增益量子点短波红外雪崩光电探测器

短波红外（SWIR）通常指代波长介于0.9 μm至2.5 μm之间的电磁波谱区域，是精准卡在可见光与中长波红外的性能互补区间，同时兼具比肩可见光的高分辨纹理成像能力、媲美中长波红外的全天候环境适应能力、独有的穿透能力和物质光谱指纹分辨能力，并在工程化成本、系统适配性、人眼安全性上形成碾压级优势，是可见光、中长波红外均无法完全替代的光电感知波段。短波红外探测主要采用反射式模式，信号通常较弱，然而近些年对弱光高灵敏探测的应用需求愈发强烈。因此研发兼具高增益、低噪声、低成本、硅基兼容的高性能短波红外探测器是行业发展趋势，同时具有重要的科学研究价值和广阔的产业落地前景。

雪崩光电二极管（APD）是典型的增益型光电探测器件，常规的短波红外APD主要依赖InGaAs、Ge等半导体材料，但是它们存在波长局限、难以规模化阵列集成等问题，需要探索新材料、新工艺和新器件结构，以突破现有短波红外APD技术的瓶颈。

PbS胶体量子点（QDs）作为一种新兴的溶液半导体材料，凭借其低温成膜工艺、优异的红外探测性能、简单的光谱调控特性和硅基单片集成能力，被视为下一代红外探测器敏感材料的有力竞争者。尽管，PbS胶体量子点在无增益的光电二极管探测器中已取得了巨大的成功，实现了大规模面阵集成化和商业化，但是其在APD探测器中的应用效果并不理想，需要解决材料和器件层面的科学和技术问题。

吸收-倍增分离架构实现光电解耦与性能协同

近日，华中科技大学唐江、张建兵团队和重庆光电技术研究所（中国电科44所）的雷仁方、韩涛团队共同在Laser & Photonics Reviews期刊上发表的研究论文“A Separate-Absorption-Charge-Multiplication Short-Wave Infrared Avalanche Photodiode With an Ultrahigh Gain Based on PbS Quantum Dots”中，提出并实现了一种“吸收-电荷-倍增分离（Separate-Absorption-Charge-Multiplication，SACM）”结构的短波红外APD探测器。这一设计的核心创新在于，它打破了现有胶体量子点APD探测器中光吸收与电荷倍增在同一空间进行的局限性，实现了物理功能上的完美解耦。

在器件结构层面，SACM结构通过多层异质集成的设计，将光吸收任务交给了对短波红外光极其敏感的PbS胶体量子点层，而将载流子倍增任务交给了具备极低电离系数比（k值极低）、倍增性能极好的成熟硅材料。如图1所示，这种架构由底部的PbS胶体量子点吸收层和顶部的硅电荷、倍增区组成。通过精确调控各层材料的厚度与掺杂浓度，研究团队成功在器件内部构建了非均匀的电场分布：在胶体量子点吸收层维持较低电场，以实现光生载流子的高效分离并防止材料击穿；而在硅倍增区建立极高的局部电场，足以使注入的光生电子触发高效的碰撞电离效应。这种“内外有别”的电场设计，正是该器件能够兼顾高响应度与低噪声的关键所在。

图1 QD SACM-APD探测器结构设计和不同偏置下器件内部电场分布的模拟结果

该APD探测器结构的优越性是，利用硅材料近乎为零的空穴/电子电离系数比，从根本上降低了雪崩过程中的超额噪声。在现有的胶体量子点自倍增器件中，电子和空穴往往同时参与碰撞电离与倍增，导致噪声显著增加；而该器件利用硅材料的内生特性，实现了纯电子注入触发的单载流子倍增过程。

硅基异质集成与界面工程

为了解决胶体量子点与硅之间由于晶格失配和界面能级不匹配带来的电荷输运难题，研究团队引入了氧化锌（ZnO）作为电子传输层，并对界面进行了精细的能带对准。通过图2分析可见，优化后的界面极大地降低了光生电子从量子点层注入硅倍增层的势垒。这种界面工程不仅提升了电荷收集效率，还实现了对暗电流的有效抑制。实验数据显示，这种SACM-APD架构在偏压下展现出了极其优异的整流特性，为高倍增因子的实现提供了宽广的电压窗口。

图2 界面传输势垒表征与界面材料选择

极高的倍增增益

在具体的性能指标上，该PbS QD SACM-APD探测器展现出了令人瞩目的数据。在90 V偏压下，该器件在1310 nm展现出140%的外量子效率（EQE），在1250 nm和1000 nm的EQE分别为239%和360%。在1250 nm的短波红外波段，响应度为2.41 A/W，倍增因子高达117，为文献报道最高水平，充分展示了SACM-APD架构的优越性。

图3 SACM-APD探测器性能表征

作为一类新型短波红外APD器件，尽管展现出极高的倍增增益，但是仍存在暗电流大、光响应不够高等问题，尚有巨大的提升和发展空间。

开启红外视觉的新篇章

从更深层的科学意义来看，这项研究工作不仅是APD器件结构上的创新，更是对“溶液法材料+成熟半导体工艺”异质集成路线的一次成功尝试。长期以来，学术界一直在探索如何将量子点这类灵活的新材料融入现有的硅光子学平台。该研究通过SACM设计，证明了可以利用量子点弥补硅在红外波段吸收不足的短板，同时利用硅的雪崩特性增强量子点的探测性能。

这种单片集成的策略具有显著的成本优势。由于PbS胶体量子点可以通过旋转涂布或喷墨打印等方式直接沉积在含有预制硅倍增结构的CMOS晶圆上，它规避了昂贵的III-V族材料生长和异质外延过程。未来基于这一技术路线，有望开发出超高灵敏、超高分辨率、低成本的短波红外APD焦平面阵列成像芯片，可以广泛应用于消费电子、自动驾驶、工业自动化中的视觉识别任务。

总结

华中科技大学和中国电科44所研究团队提出的PbS胶体量子点/硅SACM型雪崩光电二极管探测器，通过精妙的电场调控与界面能带工程，成功在短波红外波段实现了极高的增益。这一成果不仅突破了量子点红外探测器的性能瓶颈，也为高灵敏、低成本红外光电子器件的规模化集成提供了一条普适性的技术路径。