面向國家核心器件需求探索電子能態(tài)調(diào)控新機理——記2020年產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎個人郭霞

◎ 本刊記者 楊云帆

半導(dǎo)體光電探測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，在國防安全、航空航天、激光雷達、光纖通信、生物醫(yī)療等當代信息處理和國防裝備中廣泛應(yīng)用的、重要的、“卡脖子”的芯片。靈敏度是衡量光電探測器性能的核心指標。作為教育部長江特聘教授、北京郵電大學(xué)信息材料創(chuàng)新研究院籌備組長、先進半導(dǎo)體光電子器件團隊負責人，郭霞立足國內(nèi)，面向國家空間高技術(shù)對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)控新機理的探索，并運用于高效高靈敏光電器件新結(jié)構(gòu)的研制，通過產(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)電場可操控單光子探測新機理，攻克了高時間分辨率與高光探測效率的矛盾，研制出時間分辨率僅為46ps的硅單光子探測器，這是國際上第三個研制出時間分辨率小于50ps的國家，為“北斗”系統(tǒng)中高精密空間時頻比對重要裝備提供了“重要支撐”和“核心保障”。該工作被相關(guān)科技部門評價為“取得重要突破”。

提出了載流子分布局域場調(diào)控的新方法，解決了硅光二極管在吸收帶邊附近1060nm波長處效率低的國際難題，與國際同期最高水平相比，效率提高了2.5倍，實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，近三年直接銷售達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)被國際上韓國LG、日本Panasonic等多個高亮度、長壽命大屏幕有機顯示企業(yè)采用，被評價“為實現(xiàn)高效率、高可靠發(fā)光器件開辟了新途徑”。

先后主持國家自然科學(xué)基金重點項目、國家重點研發(fā)計劃項目等30余項科研項目，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；先后獲得全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文(2005)、霍英東青年教師獎(2006)、教育部新世紀優(yōu)秀人才(2007)等稱號。

同時，郭霞憑借自己的專業(yè)技術(shù)和經(jīng)驗，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)電場可操控單光子探測新機理，實現(xiàn)高靈敏、低抖動硅單光子探測器，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)是當前國家重大戰(zhàn)略方向，有望在運算速度、信息安全和信息容量等方面突破經(jīng)典系統(tǒng)的極限，單光子探測代表著探測靈敏度的極限，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，硅單光子探測是300～1100nm波段單光子探測的關(guān)鍵器件。然而隨著該器件近年來在“嫦娥三號”等航空航天項目中的成功應(yīng)用，該器件被國際封鎖。

然而，傳統(tǒng)單光子探測器的時間抖動與光探測效率是一對矛盾。國際上通常采用高質(zhì)量材料、增加工作電壓等方法來降低時間抖動，目前報道的最小時間抖動～35ps(-30℃，光敏面孔徑20～50微米)。還有，國產(chǎn)硅材料的晶格質(zhì)量無法達到國外的水平，受到位錯缺陷散射的影響，還會增加時間抖動、降低光探測效率，因此要想超越國外器件水平，必須采用新機理。

為此，郭霞提出了“量子能態(tài)電場操控單光子探測”新機理：當結(jié)構(gòu)厚度從傳統(tǒng)的幾百微米降低一個數(shù)量級，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到飽和，因此探測效率能夠保持不變，而時間抖動性能接近載流子渡越pn結(jié)的理論極限。為實現(xiàn)該機理，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，第三方測試證明顯示，研制出的硅單光子探測器室光探測效率達30%，時間抖動僅為46ps (室溫，光敏面直徑為200微米)；當環(huán)境溫度從-30℃～40℃變化，時間抖動的波動為±10ps。

硅單光子探測器具有超高靈敏度，是300～1100nm波段超高靈敏探測不可替代的關(guān)鍵芯片，是實現(xiàn)遠距離精密測量、激光雷達等重大科學(xué)儀器的關(guān)鍵核心部件之一。目前國內(nèi)硅單光子探測芯片主要依賴進口，且陣列芯片禁運。開展硅單光子探測器的自主化研究，對獨立自主研制精密測量、激光雷達等裝備具有重要意義。郭霞研制的硅單光子探測芯片性能已達到國際上衛(wèi)星量子通信應(yīng)用的標準。

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)的國家發(fā)明專利10件。

上述芯片驗證工作在上海天文臺完成，開展衛(wèi)星激光通信研究已有40余年，是我國最早開展衛(wèi)星激光通信技術(shù)研究的單位，先后成功研制出我國第一、二、三代衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)，承擔了“北斗”系統(tǒng)中衛(wèi)星激光通信裝備、中國空間實驗室星地激光時間傳遞系統(tǒng)等任務(wù)。上海天文臺使用后認為，郭霞的工作“打破壟斷”，“時間抖動性能達到國際領(lǐng)先水平，為實現(xiàn)國產(chǎn)化自主提供了重要支撐”，為實現(xiàn)“北斗”衛(wèi)星激光測距和更高精度時間傳遞國產(chǎn)化自主提供了“核心保障”。

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

為此，郭霞提出了“載流子分布局域電場調(diào)控”新方法，通過調(diào)制表面摻雜濃度實現(xiàn)局部電場增強，使得光生載流子再分布，大幅降低了光生載流子輸運路徑中的界面散射、俄歇復(fù)合等損耗因素，從而實現(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)控光吸收增強結(jié)構(gòu)，和近場光學(xué)耦合增強等方法，研制出響應(yīng)度達0.49A/W@1060nm的硅光二極管，是相同測試條件下行業(yè)標桿企業(yè)日本濱松光子株式會社相同規(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)的國家發(fā)明專利4件。

中電集團無錫中微晶園電子有限公司“采用郭霞教授提出的局域場調(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)展有限責任公司(國內(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、臺灣鼎元、韓國光電子等公司的同類產(chǎn)品，國內(nèi)市場占有率30%以上，近三年實現(xiàn)直接銷售1.62億元”。由于產(chǎn)業(yè)化工作成績突出，郭霞獲得2017年江蘇省“雙創(chuàng)”人才稱號。