客户成果丨华南师范大学《Laser - Photonics Reviews》高性能混合维度 AlGaNWS₂异质结光电二极管：面向紫外 - 可见光保密通信

华南师范大学电子科学与工程学院（微电子学院）高伟副研究员, 通过缺陷辅助调制和能带工程，创新性地构建了一种基于AlGaN/WS2异质结的紫外-可见双波段光电探测器。该研究成果以“High-Performance Mixed-Dimensional AlGaN/WS2 Heterojunction Photodiode Towards UV–vis Secure Communication”为题发表在《Laser & Photonics Reviews》上。

摘要

双波段光电探测器对于保密光通信和智能光谱传感至关重要，但其发展往往受限于高功耗、有限的响应度以及复杂的结构，尤其是在紫外（UV）波段。在此，我们报道了一种基于Type-I型混维AlGaN/WS2异质结的高性能紫外-可见光双波段光电探测器。研究结果表明，正向偏压诱导的界面极性反转驱动了从耗尽模式向积累模式的转变，触发了光辅助 Fowler-Nordheim 隧穿机制，从而动态重塑了隧穿势垒。技术计算机辅助设计（TCAD）仿真证实了这种波长相关的势垒调制效应。在Vds = 3 V时，该器件实现了卓越的响应度，分别为164.8 A/W（365 nm）和2.71 A/W（405 nm）；根据暗电流计算，其比探测率分别达到5.57 ×1013 Jones（365 nm）和3.39×1011 Jones（405 nm）。同时，Type-I型能带对准固有的能带偏移有效抑制了载流子注入，保持了极低的暗电流，并产生5.7 fW/Hz1/2 的超低等效噪声功率。利用这些特性，本文构建了一个波分复用加密通信系统，实现了独立调制和安全的双通道传输。这项工作为界面工程波长选择性电子器件引入了新范式，并为下一代波长编码保密通信奠定了基础。

图文导读

图 1 AlGaN/WS2异质结的光电性能。 (a) 不同照明波长下的I-V特性。 (b) 功率相关的I-V曲线和 (c) 365 nm下的I-T。在3 V偏压和365 nm照明下：(d) Ilight/Idark比和 (e) TCAD模拟电场分布，(f) Iph和R，以及 (g) D*和外部量子效率 (EQE)，作为光功率密度的函数。 (h) 时间响应。(i) D*和R与先前报道的光电探测器的比较。

图 1 量化展示了器件在365 nm紫外光下的核心电学与探测指标。在Vds = 3 V下，器件实现了高达164.8 A/W的响应度（R）和5.57×1013 Jones 的比探测率（D*），其外量子效率（EQE）更是达到了惊人的5.61×104%。器件展现了极佳的快响应与稳定性，上升时间为2.03 ms。TCAD仿真（图 2e）进一步验证365 nm光照下的载流子生成分布于整个界面耗尽区，确保了高效的电荷收集与分离。该图说明器件在紫外波段具备行业领先的探测灵敏度。

图 2 AlGaN/WS2异质结在3 V偏压、405 nm激发下的光电性能。(a) 光谱光响应 (400-650 nm)。 (b) I-V特性。 (c) I-T 响应。 (d) 扫描光电流映射。 (e) TCAD 模拟的电场分布。 (f) Iph和R，(g) D*和EQE，作为P的函数。(h) 响应速度。 (i) 不同波长下R与P的比较。

图 2 展示了器件对可见光波段的响应特性以及光谱选择性机理。在405 nm照明下，响应度为2.71 A/W，比探测率为3.39×1011 Jones。虽然该数值比紫外波段低两个数量级，但仍保持了良好的线性度（α =0.95）。光电流映射与仿真显示，光电流映射显示，405 nm下的响应主要局限在WS2通道，而AlGaN几乎不产生贡献。该图实现了波长依赖的传输转换：365 nm触发深度隧道传输，而405 nm受限于Type-I势垒，主要在WS2内部复合。这赋予了器件极佳的光谱判别能力，能通过能带工程实现对紫外和可见光的不同模式探测

图 3 (a-c) 在不同波长照明下的FNT和DT图，表示为ln(I/V2)与1/V。 (d-f) 能带图，说明 Vds = 3 V时依赖于波长的载流子传输和势垒调制机制。(g) Vds = 3 V照明下的势垒隧道速率分布。(h) 365 nm和 (i) 405 nm照明下的总电流密度分布。

图 3 揭示了一种波长依赖的传输转换机制，并通过TCAD仿真在物理层面深度验证了隧穿效应的存在。在365 nm紫外光照射下，由于光子能量超过了AlGaN的禁带宽度，界面处大规模产生的载流子积聚显著减薄了势垒，从而触发光辅助Fowler-Nordheim隧道（FNT）效应，使电子通过隧穿机制高效传输，实现了高达164.8 A/W的超高响应度。相比之下，在405 nm可见光下，光生载流子仅局限于WS2层内，受Type-I能带结构高达2.27 eV的巨大价带偏移阻挡，载流子难以跨越势垒，导致响应度较低且传输受限于材料内部缺陷。为了证实这一物理机理，研究利用TCAD仿真展示了正向偏压下界面极性反转及能带结构由耗尽向积累模式的转变。仿真提取的能量带图直观地呈现了势垒宽度的动态变薄过程，确证了光照注入的载流子足以支持电子以FNT隧穿而非传统热发射的方式穿透势垒；同时，仿真结果显示365 nm下的载流子生成贯穿了整个界面耗尽区，为隧穿效应提供了坚实的物理基础。

图 4 双通道安全光通信系统的系统架构和信号调制。 (a) 集成波长复用和双重加密的安全通信协议示意图。 (b) 顶部：字母数字坐标映射码本。底部：专为365 nm和405 nm通道定制的二进制 ASCII 编码序列。 (c) 独立(365 nm、405 nm)和复用光信号的时间分辨光响应波形。

图4 成功实现了从器件到系统的跨越，搭建了一个基于该探测器的双通道波分复用（WDM）加密通信应用。利用器件对 365 nm 和 405 nm 波长的差异化响应能力，研究者将其作为系统的核心接收端，实现了对混叠信号的精准解调。实验中，两路不同波长的编码信号被同时发射，探测器能根据响应度的不同，通过逻辑电路实时提取出原始信息流。这种应用实现了光学加密与并行传输的结合，证明了该探测器在高安全性、高信噪比的保密通信领域（如莫尔斯电码解密、图像加密传输）具有极高的商业化应用潜力和技术优势。

该工作通过使用TuoTuo Technology（UV Litho-ACA）的无掩模光刻机完成了AlGaN/WS2异质结接触电极的图案化定义工作。

作者信息介绍：华南师范大学电子科学与工程学院博士生袁书文和硕士生马子毅为论文共同第一作者，华南师范大学高伟副研究员为论文的通讯作者。

此项研究工作获国家自然科学基金和广州市科技计划的资助。

文献信息

S.Yuan, Z.Ma, L.Yu, et al. “High-Performance Mixed-Dimensional AlGaN/WS2 Heterojunction Photodiode Towards UV–vis Secure Communication.” Laser & Photonics Reviews (2026): e71271. 

https://doi.org/10.1002/lpor.71271