面向國(guó)家核心器件需求探索電子能態(tài)調(diào)控新機(jī)理——記2020年產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎(jiǎng)個(gè)人郭霞

◎ 本刊記者 楊云帆

半導(dǎo)體光電探測(cè)器是人們探索和揭示未知世界不可或缺的重要技術(shù)手段，在國(guó)防安全、航空航天、激光雷達(dá)、光纖通信、生物醫(yī)療等當(dāng)代信息處理和國(guó)防裝備中廣泛應(yīng)用的、重要的、“卡脖子”的芯片。靈敏度是衡量光電探測(cè)器性能的核心指標(biāo)。作為教育部長(zhǎng)江特聘教授、北京郵電大學(xué)信息材料創(chuàng)新研究院籌備組長(zhǎng)、先進(jìn)半導(dǎo)體光電子器件團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，郭霞立足國(guó)內(nèi)，面向國(guó)家空間高技術(shù)對(duì)核心器件的迫切需求，致力于半導(dǎo)體光電子器件研究20余年，聚焦電子能態(tài)調(diào)控新機(jī)理的探索，并運(yùn)用于高效高靈敏光電器件新結(jié)構(gòu)的研制，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作，在基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)及推廣應(yīng)用實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性突破，取得了許多極具代表性的創(chuàng)新成果：

提出了量子能態(tài)電場(chǎng)可操控單光子探測(cè)新機(jī)理，攻克了高時(shí)間分辨率與高光探測(cè)效率的矛盾，研制出時(shí)間分辨率僅為46ps的硅單光子探測(cè)器，這是國(guó)際上第三個(gè)研制出時(shí)間分辨率小于50ps的國(guó)家，為“北斗”系統(tǒng)中高精密空間時(shí)頻比對(duì)重要裝備提供了“重要支撐”和“核心保障”。該工作被相關(guān)科技部門評(píng)價(jià)為“取得重要突破”。

提出了載流子分布局域場(chǎng)調(diào)控的新方法，解決了硅光二極管在吸收帶邊附近1060nm波長(zhǎng)處效率低的國(guó)際難題，與國(guó)際同期最高水平相比，效率提高了2.5倍，實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，近三年直接銷售達(dá)1.62億元。

提出帶間量子倍增新結(jié)構(gòu)，突破了量子效率最大為1的極限，獲得了效率倍增的激光器和發(fā)光二極管。該結(jié)構(gòu)被國(guó)際上韓國(guó)LG、日本Panasonic等多個(gè)高亮度、長(zhǎng)壽命大屏幕有機(jī)顯示企業(yè)采用，被評(píng)價(jià)“為實(shí)現(xiàn)高效率、高可靠發(fā)光器件開辟了新途徑”。

先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等30余項(xiàng)科研項(xiàng)目，以第一通訊作 者 在Adv. Opt. Mater.，ACS Nano，Adv. Funct. Mater.，APL，OE等學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表SCI收錄論文80篇；先后獲得全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文(2005)、霍英東青年教師獎(jiǎng)(2006)、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才(2007)等稱號(hào)。

同時(shí)，郭霞憑借自己的專業(yè)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，在產(chǎn)學(xué)研合作中也發(fā)揮了十分重要的作用：

一是提出量子能態(tài)電場(chǎng)可操控單光子探測(cè)新機(jī)理，實(shí)現(xiàn)高靈敏、低抖動(dòng)硅單光子探測(cè)器，為“北斗”系統(tǒng)中關(guān)鍵裝備提供了“重要支撐”和“核心保障”。量子信息技術(shù)是當(dāng)前國(guó)家重大戰(zhàn)略方向，有望在運(yùn)算速度、信息安全和信息容量等方面突破經(jīng)典系統(tǒng)的極限，單光子探測(cè)代表著探測(cè)靈敏度的極限，是量子信息技術(shù)中不可或缺的核心器件。由于晶格完整、電子/空穴離化比高、成本低，硅單光子探測(cè)是300～1100nm波段單光子探測(cè)的關(guān)鍵器件。然而隨著該器件近年來(lái)在“嫦娥三號(hào)”等航空航天項(xiàng)目中的成功應(yīng)用，該器件被國(guó)際封鎖。

然而，傳統(tǒng)單光子探測(cè)器的時(shí)間抖動(dòng)與光探測(cè)效率是一對(duì)矛盾。國(guó)際上通常采用高質(zhì)量材料、增加工作電壓等方法來(lái)降低時(shí)間抖動(dòng)，目前報(bào)道的最小時(shí)間抖動(dòng)～35ps(-30℃，光敏面孔徑20～50微米)。還有，國(guó)產(chǎn)硅材料的晶格質(zhì)量無(wú)法達(dá)到國(guó)外的水平，受到位錯(cuò)缺陷散射的影響，還會(huì)增加時(shí)間抖動(dòng)、降低光探測(cè)效率，因此要想超越國(guó)外器件水平，必須采用新機(jī)理。

為此，郭霞提出了“量子能態(tài)電場(chǎng)操控單光子探測(cè)”新機(jī)理：當(dāng)結(jié)構(gòu)厚度從傳統(tǒng)的幾百微米降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，使得量子能態(tài)的電子占據(jù)梯度陡增，在載流子雪崩碰撞幾率保持不變的前提下，載流子的漂移速度達(dá)到飽和，因此探測(cè)效率能夠保持不變，而時(shí)間抖動(dòng)性能接近載流子渡越pn結(jié)的理論極限。為實(shí)現(xiàn)該機(jī)理，提出硅外延新結(jié)構(gòu)，結(jié)合郭霞提出的蟻群算法優(yōu)化的增透膜結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)的電容頻散現(xiàn)象與界面態(tài)密度的關(guān)聯(lián)現(xiàn)象，發(fā)展出的界面態(tài)密度定量計(jì)算方法，在攻克了高能注入等一系列關(guān)鍵技術(shù)后，第三方測(cè)試證明顯示，研制出的硅單光子探測(cè)器室光探測(cè)效率達(dá)30%，時(shí)間抖動(dòng)僅為46ps (室溫，光敏面直徑為200微米)；當(dāng)環(huán)境溫度從-30℃～40℃變化，時(shí)間抖動(dòng)的波動(dòng)為±10ps。

硅單光子探測(cè)器具有超高靈敏度，是300～1100nm波段超高靈敏探測(cè)不可替代的關(guān)鍵芯片，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離精密測(cè)量、激光雷達(dá)等重大科學(xué)儀器的關(guān)鍵核心部件之一。目前國(guó)內(nèi)硅單光子探測(cè)芯片主要依賴進(jìn)口，且陣列芯片禁運(yùn)。開展硅單光子探測(cè)器的自主化研究，對(duì)獨(dú)立自主研制精密測(cè)量、激光雷達(dá)等裝備具有重要意義。郭霞研制的硅單光子探測(cè)芯片性能已達(dá)到國(guó)際上衛(wèi)星量子通信應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。

上述科研成果發(fā)表在Adv.Optical Mater、ACS Nano、Opt.Express、Opt. Express、Appl.Phys. Lett.、Appl. Phys. Lett.等刊物上。郭霞在該領(lǐng)域授權(quán)的國(guó)家發(fā)明專利10件。

上述芯片驗(yàn)證工作在上海天文臺(tái)完成，開展衛(wèi)星激光通信研究已有40余年，是我國(guó)最早開展衛(wèi)星激光通信技術(shù)研究的單位，先后成功研制出我國(guó)第一、二、三代衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)，承擔(dān)了“北斗”系統(tǒng)中衛(wèi)星激光通信裝備、中國(guó)空間實(shí)驗(yàn)室星地激光時(shí)間傳遞系統(tǒng)等任務(wù)。上海天文臺(tái)使用后認(rèn)為，郭霞的工作“打破壟斷”，“時(shí)間抖動(dòng)性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，為實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化自主提供了重要支撐”，為實(shí)現(xiàn)“北斗”衛(wèi)星激光測(cè)距和更高精度時(shí)間傳遞國(guó)產(chǎn)化自主提供了“核心保障”。

二是提出局域電場(chǎng)調(diào)控載流子分布的新方法，攻克了硅光二極管在波長(zhǎng)1060nm處響應(yīng)度低的國(guó)際難題，實(shí)現(xiàn)了規(guī)模應(yīng)用。1060nm是激光雷達(dá)的重要工作波長(zhǎng)。硅光二極管具有效率高、噪聲低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，然而受到禁帶寬度限制，硅材料在吸收帶邊附近1060nm波長(zhǎng)處吸收系數(shù)很低(～10cm-1)，導(dǎo)致硅光二極管的探測(cè)效率低。因此，如何提高硅光二極管在1060nm處的響應(yīng)度是公認(rèn)的國(guó)際難題。

為此，郭霞提出了“載流子分布局域電場(chǎng)調(diào)控”新方法，通過(guò)調(diào)制表面摻雜濃度實(shí)現(xiàn)局部電場(chǎng)增強(qiáng)，使得光生載流子再分布，大幅降低了光生載流子輸運(yùn)路徑中的界面散射、俄歇復(fù)合等損耗因素，從而實(shí)現(xiàn)了器件在1060nm處的響應(yīng)度有效提升。為提高器件中光吸收，先后發(fā)展了縱向折射率調(diào)控光吸收增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，和近場(chǎng)光學(xué)耦合增強(qiáng)等方法，研制出響應(yīng)度達(dá)0.49A/W@1060nm的硅光二極管，是相同測(cè)試條件下行業(yè)標(biāo)桿企業(yè)日本濱松光子株式會(huì)社相同規(guī)格產(chǎn)品的2.5倍，將器件外量子效率從20%提升到50%。

上述工作主要發(fā)表在IEEE Electron Device Letters、Scientific Reports、Nanoscale Research Lett.等刊物上。郭霞在該領(lǐng)域授權(quán)的國(guó)家發(fā)明專利4件。

中電集團(tuán)無(wú)錫中微晶園電子有限公司“采用郭霞教授提出的局域場(chǎng)調(diào)控載流子分布方法，大幅提高了高靈敏硅光二極管性能，并進(jìn)行了規(guī)模生產(chǎn)”，先后為清華同方威視、公安部一所等安檢設(shè)備商、哈爾濱海格科技發(fā)展有限責(zé)任公司(國(guó)內(nèi)最大遙控器生產(chǎn)廠商)等提供高靈敏硅光二極管芯片，成功地“替代了日本濱松、臺(tái)灣鼎元、韓國(guó)光電子等公司的同類產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率30%以上，近三年實(shí)現(xiàn)直接銷售1.62億元”。由于產(chǎn)業(yè)化工作成績(jī)突出，郭霞獲得2017年江蘇省“雙創(chuàng)”人才稱號(hào)。