近日，Science Advances發表了題為“Broadband and photovoltaic THz/IR response in the GaAs-based ratchet photodetector”的研究工作（Sci. Adv. 8, eabn2031 (2022)）。該論文提出了一種基于GaAs/AlxGa1-xAs異質結的量子棘輪結構。這種結構綜合利用了電泵浦實現的熱載流子注入效應、自由載流子吸收和從輕、重空穴帶到自旋軌道分裂帶的光躍遷等多種吸收機制，突破了界面勢壘的限制，實現了從近紅外到太赫茲波段（4-300太赫茲）的超寬譜光響應。

A.   量子棘輪探測器結構. B. 探測器能帶結構. C. 器件PL光譜. D.探測器微觀機制示意圖.

近年來，紅外(IR)/太赫茲(THz)光電探測器已經引起了極大的關注。然而，設計高性能的寬帶紅外/太赫茲探測器一直是個巨大的挑戰。在寬譜探測器領域，一直是熱探測器占據主要地位，但熱探測器難以實現高速探測。光子型探測器具有可調節的響應范圍、良好的信噪比和非常快的響應速度。量子阱探測器（QWP）響應速度快，靈敏度高，光子響應范圍靈活可調，是性能優異的光子型紅外/太赫茲光電探測器。但窄帶特性使其覆蓋波段十分有限。內光發射探測器（IWIP）由于其正入射響應機制、寬譜響應以及可調的截止頻率，一直被認為是極具競爭力的寬帶紅外/太赫茲光電探測器。但其激活能低，導致較大的暗電流，需要在極低的溫度(液氦溫區)下工作。量子點探測器可以在高溫下實現太赫茲探測和正入射響應，但可靠性和可重復性仍然是一個巨大的挑戰。光泵浦熱空穴效應探測器（OPHED）基于熱-冷空穴的能量轉移機制進行探測，可以突破帶隙光譜的限制，實現超寬譜的紅外/太赫茲探測。其探測波長可調，同時能夠抑制暗電流和噪聲。然而，依賴于外部光學激勵的熱空穴注入是太赫茲探測的前置條件，這大大增加了OPHED的復雜性。

A.暗電流隨溫度變化  B. 暗電流與常用太赫茲探測器對比  C. 零偏壓下微觀響應機制  D. 量子棘輪探測器光響應譜.

應用物理與計算數學研究所白鵬與上海交通大學張月蘅、沈文忠研究組提出了一種基于GaAs/AlxGa1-xAs量子棘輪新結構的超寬譜光子型探測器。該探測器能實現正入射響應，響應范圍覆蓋4-300THz，遠超其他光子類型的探測器的覆蓋范圍。此外，該器件即使在零偏置電壓下也能產生明顯的光電流。其峰值響應率達7.3 A/W，比OPHED高出五個數量級。由于量子棘輪能帶結構的不對稱性，器件的響應在正負偏壓下也表現出明顯的差別。在溫度低于 77K時，由于量子棘輪效應，探測器表現出明顯的整流行為，器件暗電流比現有的光子型探測器低得多，噪聲等效功率低至3.5 pW?Hz?1/2，探測率高達2.9 × 1010 Jones，展示出其在高溫下工作的潛能。

該項研究中展示了一種新型超寬帶太赫茲/紅外光電探測器。在無任何光耦合結構設計的情況下，這種成像器件具備很寬的光譜探測范圍（4-300THz），快響應速度，低噪聲等效功率和高探測率，為發展高溫高速的超寬譜光電探測器件奠定了基礎。

該工作近日發表于Science Advances （Sci. Adv. 8, eabn2031 (2022)）上。共同第一作者北京應用物理與計算數學研究所助理研究員白鵬和張月蘅課題組博士研究生李曉虹，共同通訊作者為應用物理與計算數學研究所楚衛東研究員、上海交通大學張月蘅教授和清華大學趙自然教授。研究工作得到了國家自然科學基金、上海市科技自然科學基金、博士后基金和上海交通大學“人工結構及量子調控”教育部重點實驗室開放課題的經費支持。上海交通大學張月蘅課題組承擔并參與了器件設計、器件性能測試表征及論文寫作方面的工作。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn2031