近日，Science Advances發(fā)表了題為“Broadband and photovoltaic THz/IR response in the GaAs-based ratchet photodetector”的研究工作（Sci. Adv. 8, eabn2031 (2022)）。該論文提出了一種基于GaAs/AlxGa1-xAs異質(zhì)結(jié)的量子棘輪結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)綜合利用了電泵浦實現(xiàn)的熱載流子注入效應(yīng)、自由載流子吸收和從輕、重空穴帶到自旋軌道分裂帶的光躍遷等多種吸收機(jī)制，突破了界面勢壘的限制，實現(xiàn)了從近紅外到太赫茲波段（4-300太赫茲）的超寬譜光響應(yīng)。
A. 量子棘輪探測器結(jié)構(gòu). B. 探測器能帶結(jié)構(gòu). C. 器件PL光譜. D.探測器微觀機(jī)制示意圖.
近年來，紅外(IR)/太赫茲(THz)光電探測器已經(jīng)引起了極大的關(guān)注。然而，設(shè)計高性能的寬帶紅外/太赫茲探測器一直是個巨大的挑戰(zhàn)。在寬譜探測器領(lǐng)域，一直是熱探測器占據(jù)主要地位，但熱探測器難以實現(xiàn)高速探測。光子型探測器具有可調(diào)節(jié)的響應(yīng)范圍、良好的信噪比和非?？斓捻憫?yīng)速度。量子阱探測器（QWP）響應(yīng)速度快，靈敏度高，光子響應(yīng)范圍靈活可調(diào)，是性能優(yōu)異的光子型紅外/太赫茲光電探測器。但窄帶特性使其覆蓋波段十分有限。內(nèi)光發(fā)射探測器（IWIP）由于其正入射響應(yīng)機(jī)制、寬譜響應(yīng)以及可調(diào)的截止頻率，一直被認(rèn)為是極具競爭力的寬帶紅外/太赫茲光電探測器。但其激活能低，導(dǎo)致較大的暗電流，需要在極低的溫度(液氦溫區(qū))下工作。量子點(diǎn)探測器可以在高溫下實現(xiàn)太赫茲探測和正入射響應(yīng)，但可靠性和可重復(fù)性仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。光泵浦熱空穴效應(yīng)探測器（OPHED）基于熱-冷空穴的能量轉(zhuǎn)移機(jī)制進(jìn)行探測，可以突破帶隙光譜的限制，實現(xiàn)超寬譜的紅外/太赫茲探測。其探測波長可調(diào)，同時能夠抑制暗電流和噪聲。然而，依賴于外部光學(xué)激勵的熱空穴注入是太赫茲探測的前置條件，這大大增加了OPHED的復(fù)雜性。
A.暗電流隨溫度變化 B. 暗電流與常用太赫茲探測器對比 C. 零偏壓下微觀響應(yīng)機(jī)制 D. 量子棘輪探測器光響應(yīng)譜.
應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所白鵬與上海交通大學(xué)張月蘅、沈文忠研究組提出了一種基于GaAs/AlxGa1-xAs量子棘輪新結(jié)構(gòu)的超寬譜光子型探測器。該探測器能實現(xiàn)正入射響應(yīng)，響應(yīng)范圍覆蓋4-300THz，遠(yuǎn)超其他光子類型的探測器的覆蓋范圍。此外，該器件即使在零偏置電壓下也能產(chǎn)生明顯的光電流。其峰值響應(yīng)率達(dá)7.3 A/W，比OPHED高出五個數(shù)量級。由于量子棘輪能帶結(jié)構(gòu)的不對稱性，器件的響應(yīng)在正負(fù)偏壓下也表現(xiàn)出明顯的差別。在溫度低于 77K時，由于量子棘輪效應(yīng)，探測器表現(xiàn)出明顯的整流行為，器件暗電流比現(xiàn)有的光子型探測器低得多，噪聲等效功率低至3.5 pW?Hz?1/2，探測率高達(dá)2.9 × 1010 Jones，展示出其在高溫下工作的潛能。
該項研究中展示了一種新型超寬帶太赫茲/紅外光電探測器。在無任何光耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計的情況下，這種成像器件具備很寬的光譜探測范圍（4-300THz），快響應(yīng)速度，低噪聲等效功率和高探測率，為發(fā)展高溫高速的超寬譜光電探測器件奠定了基礎(chǔ)。
該工作近日發(fā)表于Science Advances （Sci. Adv. 8, eabn2031 (2022)）上。共同第一作者北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所助理研究員白鵬和張月蘅課題組博士研究生李曉虹，共同通訊作者為應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所楚衛(wèi)東研究員、上海交通大學(xué)張月蘅教授和清華大學(xué)趙自然教授。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、上海市科技自然科學(xué)基金、博士后基金和上海交通大學(xué)“人工結(jié)構(gòu)及量子調(diào)控”教育部重點(diǎn)實驗室開放課題的經(jīng)費(fèi)支持。上海交通大學(xué)張月蘅課題組承擔(dān)并參與了器件設(shè)計、器件性能測試表征及論文寫作方面的工作。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn2031
