近日，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室胡偉達、苗金水團隊提出了一種基于Ⅲ-Ⅴ族銦砷基的室溫光電探測器，開發(fā)了緊湊、低功耗的非色散紅外(NDIR)探測系統(tǒng)，實現(xiàn)了高靈敏、快速的氣體探測。該研究為基于光伏器件高靈敏NDIR系統(tǒng)的設(shè)計和高度集成化的傳感硬件提供了全新范式。
 

　　中波紅外是氣體等目標(biāo)紅外光譜學(xué)檢測的理想波段。然而，中波光電探測器通常由窄帶隙半導(dǎo)體構(gòu)成，往往面臨嚴(yán)重的噪聲問題，需要低溫操作。這一問題顯著增加了目標(biāo)傳感系統(tǒng)的體積和功耗。研究團隊借助液相外延生長技術(shù)設(shè)計了一種基于Ⅲ-Ⅴ族銦砷基材料的室溫中波紅外光伏型器件，通過在能帶中引入勢壘阻擋層等方式抑制器件噪聲，有效提升器件室溫性能。
 

　　研究團隊討論了材料組分、器件結(jié)構(gòu)與摻雜濃度等參數(shù)優(yōu)化方法，改良了材料生長與器件制備工藝。最終，該探測器的峰值比探測率達到了2.1×1010 cm·Hz1/2·W-1，響應(yīng)速度小于40 ns。圍繞該探測器，研究團隊開發(fā)了專門的紅外氣體傳感器及NDIR系統(tǒng)。對可燃烴氣體實現(xiàn)了ppm量級的快速檢測(甲烷低于1 ppm，乙炔低于700 ppb)。此外，探測器的優(yōu)異性能賦予了系統(tǒng)架構(gòu)較好的通用性，能夠滿足各種生產(chǎn)活動和日常生活需求。
 

　　研究成果以“Ultrasensitive and Fast Gas Detection Based on Room-temperature Indium Arsenide Mid-Wavelength Infrared Photodetectors”(基于銦砷室溫中波紅外探測器的超靈敏快速氣體探測)為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials(《先進功能材料》)期刊上。胡偉達研究員、苗金水研究員和胡淑紅研究員為論文的共同通訊作者，董祎和段世坤為論文的共同第一作者。
 

　　該項研究工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院的支持。
 

　　a-銦砷基光電探測器結(jié)構(gòu)原理圖；b-比探測率譜和噪聲等效功率譜；c-光電響應(yīng)時間曲線；d-NDIR氣體傳感器原理圖；e-銦砷基 NDIR氣體傳感系統(tǒng)與其他氣體系統(tǒng)和傳感器在探測限和響應(yīng)速度上的比較