客户成果丨南昌大学、上海技物所《Nature Communications》：超单位量子效率探测的空间限阈热载流子动力学

半导体中的光学热载流子指能量超过带边的光激发电子或空穴。一旦通过载流子-载流子散射形成热载流子的热分布，它们便会通过多种通道弛豫，主要包括光学声子发射、碰撞电离及俄歇复合。热载流子在几皮秒内失去能量，并在约百纳米距离内完成快速弛豫。因此，由于自由载流子-声子散射造成的能量耗散，半导体中高能光子的收集极具挑战性。受此物理机制限制，窄带隙半导体中载流子与声子普遍存在能量匹配，导致载流子能量损失往往超过50%，这使得无外部电压偏置时，半导体光电器件的量子效率较低。

为了解决这一挑战，南昌大学物理与材料学院王启胜教授课题组联合中科院上海技术物理研究所胡伟达研究员和王振研究员团队，提出了一种调控热载流子冷却的新路径，通过声子弛豫瓶颈延长寿命，实现载流子倍增效应。该研究成果以“Spatial confined hot carrier dynamics for beyond unity quantum efficiency detection”为题发表在国际知名期刊《Nature Communications》上。考虑到窄带隙的硒化铅存在强的非简谐相互作用，研究团队选择了典型的红外半导体硒化铅进行论证。通过控制载流子传输维度放大了局部声子散射，强化了声子弛豫瓶颈效应，实现载流子寿命的显著增加，进而显著提高了PbSe的光电转换效率。

图1. 半导体中空间受限的热载流子动力学。（a）在半导体的光电器件中，传统光激发热载流子的冷却过程。（b）空间限阈结构放大了局部声子瓶颈效应，延长了载流子扩散寿命。

图2. 空间限阈增强的光电热电电压。（a）宽度为10~120 μm的PbSe器件的SEM图像。（b）扫描PbSe器件的光电压图像。（c）聚焦808 nm光的光电压线性扫描。（d）和（e）为扩散长度和器件的峰值Voc比值作与通道宽度的函数。（f）4 μm激光照射下的光电压与输入功率的关系。（g）激光导致温度升高的扫描图。（h）PbSe器件温度比（T+max/T-max）的实验值和模拟值。

最终该团队展示了一种基于晶圆级单晶PbSe薄膜室温工作的中红外光电探测器阵列，表现出高黑体响应度（3.6×103 V W-1）、高黑体灵敏度（6.3×1010 cm Hz1/2 W-1）、快速光响应（33.8 μs）和超过1的外量子效率。团队还成功制造了高度均匀的32×32焦平面阵列，其不均匀性极低，约为5.6×10-6%，展示了PbSe在高分辨率红外成像方面的巨大潜力。这一工作为热载流子在高效太阳能电池、光电探测器、热电器件等领域的应用提供了新途径。

图3. 空间限阈PbSe探测器的电学性能及中波红外（MWIR）响应特性。（a）非对称PbSe器件的Jds-Vds曲线。（b）PbSe器件及测量系统的噪声谱。（c）不同波长光照射下PbSe器件的光电流响应。（d）4 μm激光照射下的响应速度。（e）PbSe器件的稳定性。（f）黑体探测的响应率和比探测率与功率强度的依赖。（g）室温下空间限阈器件的EQE。（h）空间限阈的PbSe探测器与传统光电探测器比较。

该工作通过使用TuoTuo Technology的无掩模光刻机和微分辨扫描光电流系统分别完成了所有T型PbSe器件的制备工作以及对PbSe器件光电流扫描表征。

本工作实现的产品转化包括：TO系列PbSe非制冷红外探测器， TEC制冷PbSe红外探测器， PbSe线阵列探测器等。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-62548-6