近日，我校工学部电子科学与工程学院（微电子学院）高伟副研究员团队在紫外-可见光双波段高性能光电探测与保密光通信领域取得突破性进展。相关研究成果以High-Performance Mixed-Dimensional AlGaN/WS₂ Heterojunction Photodiode Towards UV–vis Secure Communication为题，在线发表于国际光学领域顶级期刊《Laser & Photonics Reviews》（《激光与光子学评论》，Wiley出版社旗下旗舰期刊，影响因子10），为我校顶尖B类层次期刊。论文共同第一作者为电子科学与技术博士研究生袁书文和集成电路工程硕士研究生马子毅，高伟副研究员为唯一通讯作者，华南师范大学为第一完成单位，联合广西师范大学、中国科学技术大学、浙江大学、广东工业大学等单位共同完成。

一、行业痛点：双波段光电探测的核心瓶颈待突破

随着无线通信技术的飞速发展，光电探测器已成为空间通信、智能光谱传感与信息安全领域的核心元器件。然而，现有探测技术始终面临难以调和的性能矛盾：

1.传统单波段探测器易发生信号泄露，宽带探测器则存在严重的光谱串扰问题，难以适配高安全性光通信的需求；

2.现有紫外-可见光双波段探测方案，普遍受限于制备工艺复杂、材料晶格失配、器件高功耗等问题；

3.紫外波段的响应度、探测率不足，噪声抑制能力弱，始终是制约高信噪比紫外通信与光加密技术发展的核心瓶颈。

实现单片集成、兼具高灵敏度、低噪声与高光谱选择性的紫外-可见光双波段光电探测器，已成为该领域亟待攻克的关键科学与技术难题。

图1 AlGaN/WS₂光电二极管器件图、TCAD仿真图、性能对比图和加密通信图

二、核心突破：从材料结构到物理机制的全链条创新

针对行业痛点，团队通过能带工程、界面调控与器件结构优化的协同设计，实现了从材料体系、物理机制到器件性能的全方位突破。

1. 创新构建Type-I混维范德华异质结，奠定高性能器件核心基础

团队创新性地设计并制备了AlGaN/WS₂ Type-I型混维范德华异质结，并配套优化了环型漏极电极的器件结构：

A.环型环绕式的电极设计大幅缩短了载流子输运路径，在182.75 μm² 的结区内实现了高效电荷收集，破解了2D/3D异质结的电阻瓶颈；

B.利用范德华集成的优势，在异质结界面实现了无悬挂键、低界面态密度的高质量物理接触，将器件暗电流有效抑制在pA级，为超高比探测率与超低噪声的实现筑牢了结构根基。

2. 多项性能指标达国际领先水平，综合性能实现跨越式提升

基于全新的器件设计，该光电探测器实现了综合性能的全面突破，核心指标位居国际同类器件前列：

A.超高响应度：3 V偏压下，365 nm紫外波段响应度高达164.8 A/W，405 nm可见光波段响应度达2.71 A/W；

B.超高探测灵敏度：对应波段比探测率分别达到5.57 × 10¹³ Jones 与3.39 × 10¹¹ Jones，噪声等效功率低至5.7 fW/Hz¹/²；

C.快速响应与优异稳定性：365 nm波段下实现2.03/19.8 ms的快速响应速度；无封装室温环境存储6个月，光电响应仍保持初始值的95%，300次开关循环无明显性能衰减。

3. 揭示全新光辅助隧穿机制，开辟器件设计新范式

团队通过系统的实验表征与TCAD数值仿真，首次完整揭示了该异质结体系的全新物理机制：正向偏压诱导界面极性反转，驱动器件从耗尽模式向积累模式转变，进而触发光辅助Fowler-Nordheim隧穿效应，动态重塑隧穿势垒。

这一机制突破了传统Type-I异质结中载流子复合的固有瓶颈，实现了超高的光电导增益，器件外量子效率突破5.61 × 10⁴ %，远超传统器件的单位极限，为高性能异质结光电器件的设计提供了全新的理论支撑与物理范式。

三、场景落地：赋能下一代安全光通信技术

凭借优异的紫外-可见光双波段区分能力与超高抗噪声性能，团队基于该器件成功构建了波分复用加密光通信系统，开发了基于坐标映射的多维编码与软硬件协同的双波长解密机制。该系统实现了紫外与可见光信号的独立调制、双通道加密传输与实时解调，无需外置光学分光器件，仅通过幅值阈值与逻辑电平二次验证，即可完成混合信号的精准分离与解密，大幅提升了光通信链路的信息容量与抗截获能力，为下一代多维光逻辑与安全光通信架构的发展开辟了全新路径。

此项研究工作得到了国家自然科学基金、广州市科技计划项目、广东省芯片与集成技术重点实验室等平台与项目的大力支持。近年来，高伟副研究员团队聚焦二维半导体材料与器件、宽禁带半导体光电器件、异质结集成芯片等前沿方向，在逻辑门、光通信、光电探测、神经形态器件等领域持续产出高水平研究成果。

该成果不仅为界面工程化的波长选择性光电器件建立了新范式，更为下一代波长编码的安全光通信技术奠定了坚实的器件与理论基础，也充分彰显了我校工学部在电子科学与技术、集成电路科学与工程学科领域的深厚科研积累与强劲创新实力。

论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.71271