近日，本课题组联合北京科技大学、香港理工大学及丹麦奥尔堡大学科研团队，在硅基短波红外光电探测与位置感知领域取得新进展。相关研究成果以“Monolithic Te_1-xSe_x-on-Si Photodiodes for Real-Time Short-Wave Infrared Trajectory Tracking”为题，发表于国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》(IF=19.9)。课题组王健同学为论文第一作者，林沛副教授、曾龙辉教授和香港理工大学Yuen Hong Tsang教授为共同通讯作者，郑州大学物理学院为第一完成单位。

  位置敏感光电探测器能够直接获取入射光斑的空间坐标，是非接触光学测量、工业自动化及激光追踪等领域的关键器件。商用位置敏感探测器大多以硅PIN光电二极管为核心，位置分辨率高、功耗低、噪声小，并且受硅材料带隙限制，光谱响应止于约1.1 μm，难以覆盖短波红外及通信波段。短波红外光散射弱，且波长超过约1.35–1.4 μm的激光被视为“人眼安全”，这使得该波段在自由空间光通信、恶劣天气下的目标探测等场景中优势明显。然而，商用短波红外位置敏感探测器目前仍主要依赖InGaAs、Ge等材料，单个器件价格往往达数百至上千美元，难以在消费电子等民用领域推广。因此，发展兼容硅基工艺、低成本且高灵敏度的短波红外位置敏感探测器，是推动这一技术走向实际应用的关键。

  针对上述问题，研究团队在硅衬底上单片集成了Te_1-xSe_x/AlO_x/Si异质结光电二极管。通过调控Se组分实现合金薄膜带隙展宽，并在x=0.35时获得优异的异质结能带匹配。同时引入超薄AlO_x界面钝化层，有效抑制缺陷辅助复合并改善载流子输运。依靠异质结内建电场，器件无需外加偏压即可实现短波红外光探测。实验结果表明，在光伏工作模式下，器件响应波长能够延伸至1550 nm，零偏压暗电流密度低至4.4 × 10⁻¹⁰ A cm⁻²；在1342 nm光照下，光电流开关比达1.2 × 10⁵，峰值响应度和比探测率分别为0.53 A W⁻¹和1.3 × 10¹⁰ Jones。

  在此基础上，研究人员进一步结合微纳光刻工艺，在6 × 6 mm²的光敏区域布置四个空间分离电极，利用横向光伏效应将入射光斑位置转化为差分电压信号，构建了自驱动短波红外位置敏感探测器。该探测器在1342 nm光照下的位置灵敏度可达47.5 mV mm⁻¹，非线性度低至1.4%，空间位置分辨率约2 μm，实现了对短波红外光斑的高精度连续定位。研究团队将探测器与信号放大电路、微控制器和液晶显示模块相连，搭建了实时短波红外轨迹追踪与可视化系统，实现光斑二维坐标的实时提取以及“Ω”形运动轨迹的连续重建。在模拟烟雾环境中，与638nm可见光相比，1342 nm短波红外光所产生的位置感知信号表现出更低的衰减，体现了该器件在受烟雾干扰场景中的应用潜力。

  该工作将合金组分调控、界面钝化与硅基单片集成相结合，在同一器件平台上实现了低暗电流短波红外探测和微米级位置感知，并进一步完成了实时轨迹追踪系统验证，为低成本、低功耗硅基短波红外光电子器件的发展提供了新的技术路径，有望应用于非接触光学测量、智能感知及激光追踪等领域。

  该项工作得到了国家自然科学基金、河南省自然科学基金、河南省重点科技研发项目、先进金属材料国家重点实验室、深圳市科技创新项目、国家自然科学基金委/香港研资局联合研究计划，以及香港理工大学光子学研究所的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.78517