ACS Nano：石墨烯-硅异质结阵列实现的低温成像

研究背景

低温成像能够抑制热致噪声、实现对微弱光信号的探测，在天文与空间探测、量子科学、生物医学等前沿领域中不可或缺。然而，要把可在低温工作的光电探测器扩展为大规模成像阵列，仍面临一个根本性难题：在 4 K 以下缺乏可靠的读出机制与有效的串扰抑制手段。

目前的低温成像主要依赖电荷耦合器件（CCD）、与互补金属氧化物半导体（CMOS）读出集成电路（ROIC）集成的焦平面阵列，以及超导单光子探测器，但三类方案在极低温（<4 K）下都有本征局限。CCD 依靠势阱间的电荷转移实现低串扰成像，可低温下载流子冻析与迁移率下降会严重削弱电荷转移效率，导致性能劣化甚至失效；CMOS 图像传感器与基于 ROIC 的焦平面阵列依赖晶体管控制的像素寻址，而低温下载流子冻析与阈值电压漂移会破坏晶体管工作、难以形成稳定沟道，从而无法有效读出。值得注意的是，即便是本征上可在低温工作的探测器（如窄带隙半导体 InSb、HgCdTe 及低维量子结构），其阵列实现仍要依赖 CMOS-based ROIC 来完成复用读出与串扰抑制，而这两者在低温下均不可靠，从根本上限制了低温成像的可扩展性。超导探测器可在 4 K 以下实现单光子灵敏度，但多数基于超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的成像方案依赖时间分辨的光子计数，通过光子到达时间来重建空间信息，这种飞行时间机制本质上限制了帧率，且布线复杂度会制约系统扩展。

因此，如何在几开尔文的温度下同时实现稳健读出与有效串扰抑制的可扩展成像架构，一直是悬而未决的挑战。

成果简介

近期，浙江大学吕朝锋教授、新加坡国立大学Di Zhu教授、新加坡科技研究局Victor Leong首席科学家等人，提出并实现了一种基于石墨烯-硅（GS）异质结阵列的无晶体管、行列可寻址成像架构，其成像面仅由 GS 异质结像素构成，无需任何辅助电子元件。借助器件本征的自阻挡效应，该器件在室温（293 K）与低温（3 K）下均实现了有效的串扰抑制与稳定成像。

在单像素中，石墨烯与 SOI 衬底顶层 n 型硅（室温电阻率 10–20 Ω·cm）接触形成光敏结，GS 界面天然保留的原生氧化层带来自阻挡效应——器件电流在一定正偏压范围内（阻挡区）被强烈抑制，而在反向饱和偏压下保持正常光响应；正是这一效应在行列寻址中抑制了电学串扰。3 K 下的 I−V 特性证实自阻挡效应依然存在，且在 293 K 至 3 K 的宽温区内，该效应与稳健的光响应均得以保持。

基于此，作者制备了 16×16 GS 异质结成像阵列，仅由光敏结与正交的行列电极构成，省去了低温下易劣化的晶体管开关。器件在低温下稳定运行超过 65 h；作者进一步展示了像素尺寸与间距大幅缩小的 64×64 阵列，仍完好保持自阻挡效应与光响应，显示出良好的可扩展性。

对代表性像素（光敏面积 360×360 μm²）的表征显示，光电流随温度降低而下降（源于热载流子冻析），约 160 K 以下电流转为由光生载流子主导并趋于稳定；3 K 下响应度约 0.1 A/W，65 h 内电流波动小于 0.33%。全阵列 256 个像素的统计表明，像素响应非均匀性由 293 K 的 2.41% 降至 3 K 的 1.83%，低温下光、暗电流分布的间隔扩大至约 4 个数量级，光暗电流比较室温高约 3 个数量级。

在成像层面，低温下热载流子被抑制、暗电流降至 pA 量级，使弱光灵敏度大幅提升：3 K 下在低至 0.037 W/m² 的光强即可分辨“X”图案（对比度噪声比 CNR 约 3.4），所需光强比室温低近 2 个数量级；弱光区（<10⁻⁹ W）的信噪比在 3 K 比 293 K 高近 2 个数量级。此外，减小反向偏压的绝对值可进一步抑制寄生电流与串扰，使 CNR 从 −2.0 V 时的 4.3 提升至 −0.2 V 时的 8.1。

图注说明

图1 低温下的结构与 I−V 特性。(A) 单个像素的结构：硅电极与石墨烯均位于 SOI 衬底顶层硅表面，由绝缘层横向隔离；GS 界面保留有原生氧化层，从而在 GS 异质结中产生自阻挡效应。(B) 3 K 下测得的 I−V 特性，电流在一定正偏压范围内被抑制，表明 3 K 下自阻挡效应依然存在。

图2 基于 GS 异质结阵列的成像器结构。(A) 成像器的爆炸示意图。(B) 关键制备流程：(i) 商用 SOI 衬底；(ii) 将顶层硅图形化并刻蚀成相互隔离的硅岛；(iii) 沉积硅电极；(iv) 旋涂绝缘层并光刻开出接触窗口；(v) 沉积 Gr 电极；(vi) 湿法转移 CVD 生长的石墨烯并图形化成阵列。(C) 制备完成的 16×16 GS 异质结阵列照片，成像面仅由光敏单元与行列电极构成，利于可扩展、大规模、高密度集成。

图3 16×16 GS 异质结阵列中代表性像素（第 10 行、第 9 列）的温度与功率依赖表征。(A) −2.0 V 偏压下，不同光功率时输出电流随温度的变化。(B) 不同温度下输出电流随光功率的变化，低温下线性动态范围显著扩大。(C) 归一化响应度随温度的变化，插图显示 3 K 下响应度约 0.1 A/W。(D) 3 K 下不同光功率时输出电流随时间的演化，展示低温下的长期稳定性。

图4 不同条件下 16×16 GS 异质结阵列的成像性能。(A) 成像测量装置，插图为在“X”图案掩模下对成像器的照明。(B) 293 K 下不同光功率的成像结果。(C) 3 K 下不同光功率的成像结果。(D) 3 K 下运行 65 h 后重新采集的成像结果，展示长期稳定性。(E) 固定光功率下改变反向偏压的成像结果，凸显偏压对图像质量的影响。

总结展望

本工作展示了一种基于 GS 异质结阵列的无晶体管低温成像架构。凭借本征自阻挡效应，器件在行列寻址中有效抑制了像素间串扰，从而省去了低温下易失效的晶体管开关，形成仅由光敏结构成的简化架构，并在 293 K 至 3 K 的宽温区可靠工作。得益于低温下暗电流背景的大幅抑制，器件弱光灵敏度显著提升，可在比室温低近 2 个数量级的光强下成像；同时具备长时间运行稳定性，并可通过偏压调节串扰行为。该架构规避了传统 CCD/CMOS 及超导方案的局限，为面向低温环境的大规模、高密度、低串扰成像系统提供了一条可行路径，也为极端环境传感、量子技术与下一代成像平台带来了新机遇。

文献链接

Cryogenic Imaging Enabled by the Graphene-Silicon Heterojunction Array

https://doi.org/10.1021/acsnano.6c07155