圖1. 短波紅外成像像元微縮的系統(tǒng)與器件層級(jí)需求及技術(shù)挑戰(zhàn)

為滿足遙感、夜視、生物成像等高端短波紅外(SWIR)應(yīng)用對更高空間分辨率和更高探測靈敏度的迫切需求，紅外成像像元持續(xù)向微型化發(fā)展。然而，主流銦鎵砷(InGaAs)探測器在像元縮小至微米甚至亞微米尺度時(shí)，普遍面臨暗電流和像素串?dāng)_急劇上升、工藝與封裝難度陡增等瓶頸，嚴(yán)重制約了成像分辨率和系統(tǒng)信噪比的進(jìn)一步提升。

近日，北京大學(xué)電子學(xué)院、碳基電子學(xué)研究中心張志勇教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京交通大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院王穎教授團(tuán)隊(duì)、北京大學(xué)電子學(xué)院光子傳輸與通信全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室舒浩文研究員團(tuán)隊(duì)，提出并實(shí)現(xiàn)了一種碳基異質(zhì)結(jié)柵控光電晶體管(HGFET)，在亞波長像元尺度下實(shí)現(xiàn)了超高靈敏短波紅外探測，為高分辨率、大面陣、低成本紅外成像提供了全新思路。

研究從系統(tǒng)與器件兩個(gè)層面系統(tǒng)分析了像元微縮的物理極限與工程約束。系統(tǒng)仿真表明，當(dāng)像元間距接近入射光波長時(shí)，光學(xué)串?dāng)_顯著增強(qiáng)，明確了像元進(jìn)一步微縮所面臨的物理邊界。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)光電二極管架構(gòu)，利用碳基材料低溫工藝、后端工藝(BEOL)兼容性強(qiáng)及光電解耦的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，構(gòu)建了適用于亞波長像元的高增益光電探測器件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著像元尺寸由數(shù)微米縮小至1 μm量級(jí)，器件的響應(yīng)度、比探測率和響應(yīng)速度不降反升。其中1.0 μm像元器件在1300 nm波長下實(shí)現(xiàn)了超過10? A/W的響應(yīng)度和約101? cm·Hz1?2·W?1的比探測率，同時(shí)保持100 μs快速響應(yīng)。進(jìn)一步研究表明，溝道縮短顯著提升了碳納米管晶體管的跨導(dǎo)，而噪聲增長受到有效抑制，使器件在微縮尺度下仍能維持較高信噪比。該工作在亞波長像元尺寸與超高靈敏短波紅外探測性能之間實(shí)現(xiàn)了兼顧，并提出了一種兼容 CMOS 后端工藝的單片集成方案，為新一代高分辨率、低功耗、低成本短波紅外焦平面陣列的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

相關(guān)研究成果以“Scaling Short-Wave Infrared Detector Pixels to Subwavelength Dimensions”為題，于2026年1月12日在線發(fā)表于國際納米科技領(lǐng)域頂級(jí)期刊Advanced Materials。北京大學(xué)與湘潭大學(xué)先進(jìn)傳感與信息技術(shù)研究院聯(lián)合培養(yǎng)的2022級(jí)博士研究生高勝美為論文第一作者，王穎、舒浩文和張志勇為通訊作者。華中科技大學(xué)張建兵和唐江教授為研究提供了量子點(diǎn)材料支持。該研究得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助，以及北京大學(xué)微納加工實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的支持。

審核編輯 黃宇