近日，光电科学与工程学院蒋亚东团队吕坚课题组联合基础与前沿研究院巫江教授团队、中国科学院重庆绿色智能技术研究院魏兴战团队，在国际著名期刊《InfoMat》上发表了题为“PtTe2interface engineering forenhanced near-infrared photoresponse in black silicon photodetectors”的研究论文。该研究针对硅基近红外探测器的性能瓶颈，提出了一种PtTe2/黑硅异质界面工程策略，为开发与CMOS工艺兼容的高性能、低噪声近红外探测器提供了全新解决方案。该论文以电子科技大学为第一完成单位，光电学院吕坚教授、基础前沿学院巫江教授及重庆绿色研究院魏兴战研究员为共同通讯作者。研究得到了国家重点研发计划（弱光相位高精度测量研究：G072022YFC2203902）的支持。
近红外光电探测器是光通信、生物成像、安防监控等领域的核心元器件。随着应用需求的提升，器件需要在高响应度、低暗电流与CMOS兼容集成方面实现协同优化。硅基光电探测器凭借成熟的工艺、高稳定性与低成本优势，成为规模化应用的主流选择。然而，硅的本征带隙为1.12 eV限制了其在1100 nm附近近红外波段的吸收与响应能力。传统上采用锗或III‑V族化合物进行异质集成的方案，又面临晶格失配、界面缺陷与工艺不兼容等瓶颈，难以实现高性能与高可靠性的协同。黑硅通过飞秒激光诱导形成尖锥微结构与硫掺杂，能够引入亚带隙缺陷态，显著增强近红外光捕获能力，成为突破硅本征吸收限制的有效途径。但黑硅制备过程中引入的高密度表面缺陷会大幅提升暗电流，加剧载流子复合损失，制约器件综合性能的提升。因此，如何在强化近红外响应的同时有效抑制暗电流，成为黑硅基近红外探测器实用化的核心难题。
针对上述挑战，研究团队将II型狄拉克半金属PtTe2薄膜与黑硅p-i-n二极管相集成。该设计利用PtTe2的高功函数、高载流子迁移率及优异的界面适配特性，在PtTe2/黑硅界面处诱导能带弯曲，有效强化内建电场，促进光生载流子的高效分离与收集。同时，PtTe2薄膜作为高质量的钝化层，能够有效修复黑硅的表面缺陷，抑制载流子复合和暗电流产生。
图1 PtTe2/黑硅光电探测器的工作原理
实验结果表明，所制备的PtTe2/黑硅探测器在1064 nm波长下实现了0.64 A/W的响应度，较传统硅探测器提升了146%，比探测率高达3.54×1011Jones。该器件同时具备高灵敏度、低噪声和快速响应的优异性能，综合优势优于传统硅基探测器。
图2 PtTe2/黑硅光电探测器、黑硅光电探测器与传统硅光电探测器的光电性能比较
图3 PtTe2/黑硅光电探测器在1064 nm光照下的光电性能
该研究提出的强电场载流子分离与缺陷钝化暗电流抑制的双重机制协同作用，从原理上突破了高响应与低暗电流之间的固有权衡难题。该方案能够兼容现有CMOS工艺，制备流程简单且易于规模化量产，为光通信、机器视觉及医疗成像等领域的近红外探测需求，提供了一条极具前景的技术路径。同时，这项工作也拓展了二维材料在硅基光电器件中的应用范式，为突破传统半导体探测器的性能瓶颈提供了通用的界面工程思路。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/inf2.70138
