埋栅结构快速响应自供能偏振敏感钙钛矿光电探测器用于高速光通信和偏振成像

偏振敏感光电探测器能够检测多维光学信息，在光通信、偏振成像、机器视觉和军事遥感等领域具有重要的应用前景。然而，传统的无机半导体光电探测器尽管性能稳定，但存在柔韧性差、制造工艺复杂和成本高等局限。此外，大多数偏振检测系统依赖于额外的光学和机械部件，这增加了系统的整体尺寸和结构复杂性，严重阻碍了光电子系统的微型化和集成化。因此，探索易于合成和制备的高性能替代材料，以实现小型化和成本效益的偏振敏感光电探测器，已成为必然选择。

金属卤化物钙钛矿材料作为一种新型半导体材料，因其光电性能（如高吸收系数、可调带隙和高载流子迁移率）以及易于合成和集成等优点，在光电探测器、太阳能电池和激光等领域受到广泛关注。然而，钙钛矿材料的不稳定性以及大多数偏振敏感钙钛矿光电探测器响应时间长和长期稳定性差等问题，限制了其实际应用。微纳光栅结构的集成被认为是实现高性能偏振敏感钙钛矿光电探测器的有前途的方法。这些结构不仅能引入偏振敏感性，还能通过优化光耦合效率、减少表面反射和增强光吸收来显著提高光电探测器的性能。

该研究展示了一种高性能的自供能PSPPD，其优异的性能主要归功于埋栅结构的光捕获能力和光生载流子的高效提取与传输。

（1）PSPPD在532 nm波长下的外量子效率（EQE）达到93.93%，响应度（R）为403 mA W⁻¹，暗电流（Idark）低至5.95×10⁻¹⁰ A。

（2）响应速度快，上升/下降时间均小于2 μs，具有优异的高频响应能力，-3 dB频率约为250 kHz，能够检测高达500 kHz的高速光信号。

（3）PSPPD展现出高消光比（1.68）和良好的偏振敏感性，能够在0 V偏压下检测偏振光，且在不同波长下均能保持快速响应。

（4）经过120天的空气暴露后，PSPPD在偏振成像和光通信系统中仍保持高效性能，显示出良好的长期稳定性。

场发射扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外 - 可见光谱光度计、荧光光谱仪（PL）、时间分辨光致发光（TRPL）、光电流、暗电流、外量子效率（EQE）、响应度（R）、稳定性、探测率（D*）等。

图1. a）具有埋栅结构的钙钛矿光电探测器的示意图。b）在650 nm波长下，无埋栅结构的光电探测器的FDTD模拟图。c）在650 nm波长下，具有埋栅结构的光电探测器的FDTD模拟图。d）飞秒激光直写处理ITO基底的示意图。e）具有光栅结构的ITO基底的光学照片。f）ITO基底光栅结构的扫描电子显微镜（SEM）图像的俯视图。g）ITO基底光栅结构的原子力显微镜（AFM）图像及光栅尺寸图。

图2. a）光电探测器示意图。b）PSPPD的能量级图以及电子和空穴传输示意图。c）当光从ITO侧入射时，具有光栅结构的钙钛矿层中不同波长光的传播和载流子传输过程示意图。d）在470 nm激光激发下，Cs0.15FA0.85PbI2.85Br0.15薄膜的光致发光（PL）光谱。e）光电探测器的外量子效率（EQE）。插图：所制备PSPPD的实物图。f）光电探测器的EQE和响应度（R）稳定性。g）光电探测器的暗电流（Idark）。h）光电探测器的探测率（D*）。i）在0 V偏压下（650 nm，250 kHz）PSPPD的响应时间。

图3. a）PSPPDs偏振光检测示意图。b）偏振光检测结果。c）偏振成像测试示意图。d）偏振成像结果。

图4. a）高速光通信测试系统。b）输入编码信号。c）光电探测器在初始时间对光信号的检测结果。d）光电探测器在120天后对光信号的检测结果。e）光电探测器对不同速率信号（单周期）的检测结果。f）钙钛矿光电探测器在光通信中的性能比较。g）钙钛矿光电探测器在光通信中的通信速率比较。

图 光探测器综合测量系统FineDet 990

光探测器综合测量系统FineDet 990，是东谱科技开发的光响应器件特性综合测试平台，可根据需求选择、定制功能，针对微纳器件提供显微系统，针对模组/阵列提供显微+自动扫描测试系统等。测试功能模块包括：（1）光谱响应测试：光谱响应度、外量子效率EQE、内量子效率IQE；（2）探测器瞬态测试：上升、下降时间TRTF、3dB截止频率、线性动态范围LDR；（3）探测器噪声测试：噪声频谱密度、噪声等效功率NEP、探测率和比探测率D*；（4）伏安特性测试：IV单点测试、IV分段扫描测试、IV循环扫描测试；（5）探测器稳定性测试：光谱响应参数稳定性、伏安特性参数稳定性等。

▍引用文章

Buried Grating Enables Fast Response Self-Powered Polarization-Sensitive Perovskite Photodetectors for High-Speed Optical Communication and Polarization Imaging