近日，湘潭大学湖南先进传感与信息技术创新研究院张志勇教授团队在材料科学领域国际顶级期刊《先进材料》（Advanced Materials，IF = 27.4）发表了题为“Scaling Short-Wave Infrared Detector Pixels to Subwavelength Dimensions”的文章。提出并实现了一种碳基异质结栅控光电晶体管（HGFET），在亚波长像元尺度下实现了超高灵敏短波红外探测，为高分辨率、大面阵、低成本红外成像提供了全新思路。论文第一作者为研究院2022级博士研究生高胜美，张志勇教授、王颖教授和舒浩文研究员为共同通讯作者，湘潭大学为论文的第一单位。

为满足遥感、夜视、生物成像等高端短波红外（SWIR）应用对更高空间分辨率和更高探测灵敏度的迫切需求，红外成像像元持续向微型化发展。然而，主流铟镓砷（InGaAs）探测器在像元缩小至微米甚至亚微米尺度时，普遍面临暗电流和像素串扰急剧上升、工艺与封装难度陡增等瓶颈，严重制约了成像分辨率和系统信噪比的进一步提升。

图 1. 短波红外成像像元微缩的系统与器件层级需求及技术挑战

研究从系统与器件两个层面系统分析了像元微缩的物理极限与工程约束。系统仿真表明，当像元间距接近入射光波长时，光学串扰显著增强，明确了像元进一步微缩所面临的物理边界。在此基础上，研究团队突破传统光电二极管架构，利用碳基材料低温工艺、后端工艺（BEOL）兼容性强及光电解耦的结构优势，构建了适用于亚波长像元的高增益光电探测器件。实验结果显示，随着像元尺寸由数微米缩小至1 μm量级，器件的响应度、比探测率和响应速度不降反升。其中1.0 μm像元器件在1300 nm波长下实现了超过10⁸ A/W的响应度和约10¹⁵ cm·Hz¹ᐟ²·W⁻¹的比探测率，同时保持100 μs快速响应。进一步研究表明，沟道缩短显著提升了碳纳米管晶体管的跨导，而噪声增长受到有效抑制，使器件在微缩尺度下仍能维持较高信噪比。该工作在亚波长像元尺寸与超高灵敏短波红外探测性能之间实现了兼顾，并提出了一种兼容 CMOS 后端工艺的单片集成方案，为新一代高分辨率、低功耗、低成本短波红外焦平面阵列的发展奠定了技术基础。

图 2. 碳纳米管 HGFETs 的光电响应、噪声特性、比探测率及时间响应

图 3. 基于碳纳米管 HGFETs 在短波红外成像中的性能对比及集成前景

湖南先进传感与信息技术创新研究院科研团队聚焦碳基集成电路和新型传感器为代表的新一代信息技术领域，在唐氏综合症筛查、肝癌检测、无创血糖监测等生物传感和甲烷、氢气、甲醛等气体传感器件及其相关技术方面取得重要成果，并已研制全球首条碳基传感芯片示范线，推进相关核心技术产业化。

文章链接：http://doi.org/10. 1002/adma.202517878