弱光探测在夜视、遥感、天文观测和量子通讯等领域有着重要的应用。目前商用的弱光探测器主要包括光电倍增管和雪崩光电二极管等，它们通过倍增光生电流实现输出电信号的放大。然而，这些器件通常尺寸较大，或需要高工作电压（100-1000 V），使其与数字成像系统中的微电子电路难以兼容。近年来，基于低维半导体纳米结构的光电探测器由于其高灵敏度、高集成度而引起了极大的关注。在光电探测器的主要参数中，探测度是评估其对弱光探测能力的关键参数之一。目前研究者们主要通过提高光电探测器的光电转换效率，或者降低光电探测器的暗电流来实现器件高的探测度。但是，由于单个入射光子通常只能在半导体中激发一对电子和空穴，因此产生的光电流Iph取决于入射光强度P，并遵循光电转换幂定律Iph~Pα。随着P增加，Iph呈现亚线性或线性增加。在实际器件中，由于材料中存在的缺陷会导致光生电荷发生复合，使得器件的光电转换效率降低，因此α值通常小于1。即使对于理想的光电探测器（α=1），其光电转换效率仍然受到光电转换幂律的限制，在弱光照射下表现出较低的灵敏度。众所周知的是，在传统的胶片摄影中，通过对底片进行长时间的曝光，可以实现在弱光或者夜景下进行拍摄。因此，如果可以在光电探测器上集成电荷存储功能，通过光电信号的长时间累积，有望大幅度提高器件对弱光的探测能力。
近日，我院揭建胜教授和张晓宏教授合作在Nature Communications上以“Memory Phototransistors Based on Exponential-Association Photoelectric Conversion Law”为题发表论文(Nat. Commun., 2019, 10, 1294)。研究团队成员成功地构筑了一种新型的基于半导体纳米带光电晶体管的存储型弱光探测器。存储型光电探测器主要利用纳米带表面氧吸附导致的表面态作为电荷捕获陷阱，实现光生电荷的存储累积效应，进而通过延长光照时间来提高器件的弱光探测能力。该效应允许存储型光电探测器突破传统光电探测器中的光电转换幂律，极大地提高了幂指数α（在50 nW cm−2的弱光强度下为9.3）。并且，存储型光电探测器的光电流不仅取决于入射光功率P，还和器件的预照射时间t直接相关，从而遵循新的光电转换指数律Iph=a×（1-e-bpt）。正因为此，存储型光电探测器具有超高的响应度（3.8×109 A W−1）及探测度（7.7×1022Jones），能够以极高的灵敏度（4×107）实现6 nW cm−2光强的弱光探测。器件的性能参数比现有基于半导体纳米结构的光电探测器高3-5个数量级，达到目前报道的最高水平。
该研究发展了一种基于电荷存储累积效应的新型存储型光电探测器，该探测器遵循与传统探测器不同的光电转换指数律，从而实现了高响应度和高探测度的弱光探测。相关概念可以拓展到一系列不同组分、不同带隙的有机/无机半导体纳米结构，从而为超弱光探测领域的发展提供了新的思路。
本文的第一作者为邵智斌博士，博士研究生姜天昊为共同第一作者。本工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省优势学科、111引智计划和苏州纳米协同中心的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-09206-w
揭建胜教授课题组网站：http://www.jjs-group.com/
张晓宏教授课题组网站：http://xhzhang-group.com/
责任编辑：向丹婷