短波红外探测器被广泛应用于环境监测、夜间监控、现代通信、遥感等新兴领域。传统的铟镓砷探测器由于与硅基电路存在着严重的晶格失配，必须通过倒装焊的工艺实现集成。这种工艺形式大大增加了铟镓砷探测器的成本，百万像素的铟镓砷焦平面探测器阵列其价格超过了10,000美元。昂贵的价格限制了铟镓砷短红外探测器在市场中的推广和应用。

碳纳米管（CNT）作为一种新兴的一维半导体材料可以与硅基衬底良好的兼容。高红外吸收系数（3×10⁵ cm^-1）以及低温加工工艺的特点（＜ 200 ℃）使得CNT具有制备高性能短波红外探测器的潜力。北京大学电子学院//碳基电子学研究中心王胜副研究员团队通过优化CNT薄膜的厚度，并采用叠层CNT薄膜和双层接触电极改善载流子收集的策略提高CNT短波红外探测器的响应度。在1800 nm波长下CNT探测器的响应度可以达到120 mA/W。

图1 叠层CNT短波红外探测器以及性能展示

进一步采用局域n型掺杂的方法，降低器件在负偏压工作时的载流子隧穿，使得-1V偏压下的暗电流减小一个多数量级，从而降低探测器的噪声电流。最终优化过的CNT探测器探测率在室温下达到3.94×10⁹ Jones（1800 nm）并且其线性动态范围超过了118 dB。

图2 局域掺杂的叠层CNT短波红外探测器以及性能展示

当探测器的工作温度降低至180 K时，探测器的噪声电流可以进一步被抑制，在1800 nm波长下其探测率可以达到2.27×10¹¹ Jones，展现了CNT在短波红外探测器中的应用潜力。

图3 局域掺杂的叠层CNT短波红外探测器在低温工作时的性能及其他探测器比较

图4 论文截图

该成果以《基于多层碳纳米管薄膜的高性能短波红外探测器》（High-Performance Shortwave Infrared Detector Based on Multilayer Carbon Nanotube Films）为题，发表于《ACS Applied Materials Interfaces》（ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 13508–13516，DOI 10.1021/acsami.2c21641）。北京大学电子学院博士生蔡翔为第一作者，北京大学电子学院/碳基电子学研究中心王胜副研究员为通讯作者。本研究得到了国家重点研发项目(Grant No:2020YFA0714703)和国家自然科学基金(Grant No:62071008)的支持。