全新光谱极性工程红外探测范式，助力室温高灵敏红外传感

         室温工作的红外探测器始终面临一个原理性的性能天花板——环境黑体辐射。长期以来，业界普遍默认所有能量高于带隙的光子都会以相同极性贡献于电信号输出，这就是传统探测器的"单极光谱积分"工作模式。在这一框架下，无论材料质量如何提升、界面工程如何优化，固定黑体辐射条件下的背景感应电流都无法消除，探测器被锁定在背景限工作区（BLIP）。

         能否将极性反转直接编码进探测器的本征响应之中？这一问题构成了本研究的核心出发点。如果能让不同光谱带的光子在单一器件内产生相反极性的光电流，那么宽带背景辐射中的正负分量将在光电转换阶段即发生相消积分，平均背景电流偏移可被本征地抑制，而无需外部相减或平衡读出。这种传感器内背景偏移抵消机制，将从根本上改写背景限红外探测的游戏规则。

         据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院上海技术物理研究所和新加坡国立大学的研究团队提出了一种全新的光谱极性工程红外探测范式。该研究创新性地在锗/黑磷（Ge/BP）混合维范德华异质结中实现了波长依赖的光电流极性反转，使不同波段的背景光子在光电转换阶段即发生相消积分，从根源上抑制了室温环境下黑体辐射造成的背景电流偏移。器件零偏压下室温比探测率达7.89×10¹⁰ Jones，与单位量子效率积分型探测器的背景限基准仅相差4.11倍。该工作突破了传统红外探测器"单极光谱积分"的固有框架，将探测器从被动的宽带积分器转变为主动的光谱鉴别器，为室温高灵敏红外传感提供了全新的物理机制与技术路线。研究成果以“Sensitive infrared photodetection enabled by in-sensor background-offset cancellation in a mixed-dimensional van der Waals heterostructure”为题发表在Nature Communications期刊上。

          光谱极性工程框架研究团队首先建立了光谱极性工程的完整理论框架（如图1），定量刻画了极性反转对背景感应电流的抑制效果。300 K黑体辐射的光谱功率密度随波长呈非对称分布，短波段能量密度高、长波段能量密度低。传统单极探测器将所有光子转换为同号电流，形成巨大的直流偏移；而极性工程后的探测器在两个光谱区间具有相反符号的响应度，背景电流通过带符号的光谱积分被部分抵消，在最优补偿点附近形成一个"偏移等效探测率"的峰值区域。从噪声治理的全局视角看，传统红外降噪策略主要沿两条路径推进：一是降低器件级电子噪声，如势垒能带工程、材料与界面优化；二是减少入射背景光子通量，如冷屏蔽、光学视场控制。光谱极性工程开辟了第三条路径：通过传感器内的背景电流对消，抑制平均背景偏移负担，同时不改变残余光子数涨落的物理下限。

          图1 光谱极性工程的概念框架

Ge/BP异质结探测器中的光谱极性反转现象

        为在物理上实现光谱极性反转，研究团队构建了Ge/BP混合维范德华异质结器件：将少层黑磷通过干法转移至p型掺杂的体锗衬底上，在惰性气氛中完成组装以避免氧化。两种材料接触前呈现交错的II型能带排列：黑磷的价带顶高于锗的价带顶，电子亲和能分别为4.25 eV与4.00 eV，带隙分别对应中红外与近红外，为后续的光场调控提供了天然的能带不对称基础。

         光谱极性工程的实用价值，很大程度上取决于反转波长的可调控性——不同应用场景需要匹配不同的背景辐射谱与目标信号波段，因此需要灵活定制极性反转点，。研究团队证明，通过调控锗衬底的掺杂浓度，可确定性地调节反转波长λR的位置。

          Ge/BP异质结探测器在室温下的红外性能

        在真实黑体辐射环境下，研究团队系统评估了器件的室温红外探测性能。在250 K至1150 K的黑体温度范围内，实测短路电流与基于带符号EQE谱计算的极性加权背景光电流高度吻合，直接证实了平均背景响应由入射光子通量的带符号光谱积分主导，验证了光谱极性工程理论框架的正确性。

        系统级光谱分辨能力为展示光谱极性工程的系统级价值，研究团队搭建了单像素扫描成像原型，验证极性响应带来的光谱鉴别与确定性干扰抑制能力。实验采用热管作为中红外目标，520 nm可见光激光作为受控光学干扰源，4000 nm中红外激光提供目标照明，两路光同时入射到探测器上，直接考察器件如何通过本征极性依赖响应，将光谱不同的输入转换为差异化的电输出。  

          定量分析进一步证实了对比度恢复的系统性。随着中红外功率相对可见光干扰逐步提升，输出分布从信号与背景高度重叠演变为清晰分离，信号均值上升而背景均值下降，信噪比从-4.15 dB单调提升至37.72 dB。

总结

         综上所述，这项研究提出并实验验证了光谱极性工程这一全新的红外探测范式，通过Ge/BP混合维异质结中的光致内建电场反转，在单一器件中实现了确定性的波长依赖极性反转，完成了传感器内的本征背景偏移抵消。光谱极性工程并非对现有暗电流抑制策略的替代，而是与之形成互补：前者针对宽带热辐射下的平均背景电流偏移，后者针对器件本征暗电流，二者协同可进一步压缩红外探测器的噪声预算。由于抵消发生在单器件内部，无需双通道差分或外部差分电路，该原理原则上可拓展至其他异质结平台、更宽光谱范围以及焦平面阵列与片上成像架构。可以预见，光谱极性工程作为一种通用的红外传感设计框架，将在背景鲁棒探测、紧凑型多光谱成像、自适应光电子系统等领域催生更多创新，为室温高灵敏红外探测开辟一条全新的技术路径。

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