圖1. 短波紅外成像像元微縮的系統與器件層級需求及技術挑戰

為滿足遙感、夜視、生物成像等高端短波紅外(SWIR)應用對更高空間分辨率和更高探測靈敏度的迫切需求，紅外成像像元持續向微型化發展。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，普遍面臨暗電流和像素串擾急劇上升、工藝與封裝難度陡增等瓶頸，嚴重制約了成像分辨率和系統信噪比的進一步提升。

近日，北京大學電子學院、碳基電子學研究中心張志勇教授團隊聯合北京交通大學物理科學與工程學院王穎教授團隊、北京大學電子學院光子傳輸與通信全國重點實驗室舒浩文研究員團隊，提出并實現了一種碳基異質結柵控光電晶體管(HGFET)，在亞波長像元尺度下實現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。

研究從系統與器件兩個層面系統分析了像元微縮的物理極限與工程約束。系統仿真表明，當像元間距接近入射光波長時，光學串擾顯著增強，明確了像元進一步微縮所面臨的物理邊界。在此基礎上，研究團隊突破傳統光電二極管架構，利用碳基材料低溫工藝、后端工藝(BEOL)兼容性強及光電解耦的結構優勢，構建了適用于亞波長像元的高增益光電探測器件。實驗結果顯示，隨著像元尺寸由數微米縮小至1 μm量級，器件的響應度、比探測率和響應速度不降反升。其中1.0 μm像元器件在1300 nm波長下實現了超過10? A/W的響應度和約101? cm·Hz1?2·W?1的比探測率，同時保持100 μs快速響應。進一步研究表明，溝道縮短顯著提升了碳納米管晶體管的跨導，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現了兼顧，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展奠定了技術基礎。

相關研究成果以“Scaling Short-Wave Infrared Detector Pixels to Subwavelength Dimensions”為題，于2026年1月12日在線發表于國際納米科技領域頂級期刊Advanced Materials。北京大學與湘潭大學先進傳感與信息技術研究院聯合培養的2022級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。華中科技大學張建兵和唐江教授為研究提供了量子點材料支持。該研究得到了國家自然科學基金項目的資助，以及北京大學微納加工實驗室平臺的支持。

審核編輯 黃宇