摘 要
短波红外（SWIR）波段（0.9-2.5 μm）在光学通信、医疗诊断、工业制造和环境监测等领域展现出独特的优势。与可见光相比，SWIR具有更好的穿透能力，同时其分辨率也优于中远红外成像。然而，传统的SWIR成像技术面临诸多挑战：焦平面阵列（FPA）传感器成本高且工艺复杂；现有材料如InGaAs和HgCdTe等由于带隙较小，难以有效抑制暗电流，需在低温下工作。此外，这些材料与硅基技术不兼容，导致集成难度较大。
为突破这些限制，中国科学院合肥物质科学研究院与郑州大学组成的联合研究团队开发了基于MoTe₂/Si异质结光电二极管的新型短波红外计算成像系统。该系统巧妙地将单像素计算成像（SPI）技术与高性能二维MoTe₂/Si探测器相结合，不仅突破了传统阵列探测器的限制，还实现了对目标物体的高信噪比SWIR成像。相关研究成果以“Computing imaging in shortwave infrared bands enabled by MoTe2/Si 2D-3D heterojunction-based photodiode”为题，发表在InfoMat期刊上。第一作者为中国科学院合肥物质科学研究院的时东锋副研究员，通讯作者为中国科学院合肥物质科学研究院的王英俭研究员、李亮研究员及郑州大学的吴翟教授。
文章简介
图1成像系统原理图。A. 光通过透镜1扩束并照射到DMD调制器上。光经过调制后通过透镜2投射到物体上，物体反射的光经过透镜3汇聚至探测器，信号被传输到计算机进行处理。B. DMD调制器加载的调制模式。C. 算法原理图显示，通过计算反演获取目标物体图像信息，利用检测到的强度值进行加权累积，最终得到物体图像和边缘图像信息。
典型的计算成像系统如图1A所示，主要由空间光调制器（SLM）、光电探测器（SPD）、透镜和计算设备组成。SLM为数字镜器件（DMD），SPD为基于MoTe2/Si的2D-3D异质结。系统采用近红外激光器作为光源，通过透镜1扩展后照射到DMD上。调制光通过透镜2照射到物体，透射光再经透镜3汇聚到SPD，探测器响应信号被转换为数字强度值，最终计算机通过算法获得物体图像。该系统无需机械扫描，所有设备均固定，简化了配置。由于每次探测进行全局采样，用物体信息稀疏特性，系统能够在低采样率下实现高分辨率成像。
图2 A. MoTe2/Si 异质结器件结构的示意图。B. MoTe2薄膜的AFM图像。C. MoTe2薄膜的 XRD 图。D. MoTe2薄膜的拉曼光谱。E. MoTe2的 HRTEM 图。F. MoTe2薄膜的 SAED 图。
本研究设计了一种MoTe2/Si二维-三维异质结光电探测器，图2A展示了其结构。MoTe2属于过渡金属二硫化物（TMDCs），其约1.0 eV的窄带隙和高载流子迁移率使其成为高性能红外光电探测器的理想材料。采用缓冲氧化物蚀刻（BOE）技术，在SiO2/Si表面蚀刻出硅窗口，并原位生长了一层厚约35.4 nm的二维MoTe2薄膜（图2B），通过X射线衍射（XRD）和拉曼光谱（图2C和2D）验证了其结构，结果显示出2H-MoTe2相的存在，表明二维MoTe2层具有优异的大规模均匀性。
图3 器件光电性能。A. 980 nm和B. 1550 nm光照下的光照强度变化。C. 器件在不同激发波长下的时间分辨光响应。D. 1500 nm零偏置I_T曲线。E. 在520nm、980nm和1550 nm照射下器件的光电流随功率变化。F. 探测率随功率的变化。G. 0.1、1和5 kHz的高频响应。H. 1 Hz至26 kHz的频率相关光响应。
不同波长（265-1550 nm）下的电流-电压（I-V）曲线显示了从紫外（UV）到短波红外（SWIR）的广泛光谱范围，超越了传统硅基PD在400-1100 nm的局限。通过开尔文探针力显微镜（KPFM）测量MoTe2/Si异质结的表面势能，计算值约为4.71 eV和4.60 eV。根据带隙（1.12 eV和0.94 eV），可以呈现MoTe2与Si的带结构对齐。当二维p-MoTe2层与n-Si接触时，形成类型-II异质结，能够高效分离光载流子。即使光子能量低于带隙，层间激发仍可能导致宽带光响应。MoTe2/Si异质结在SWIR区域，尤其在1.0 μm以上，显示出优越的光吸收能力。在980 nm和1550 nm照明下，该PD的I-V曲线显示出低反向饱和电流和高整流比，进一步验证了MoTe2/Si异质结的高质量界面。同时，该PD在14 nW（980 nm）超低光强下能有效检测光电流，显示其优异的弱光探测能力，在14 nW时，EQE约43%、R约325.8 mA/W和D*约2.9×1011Jones。
图4 两个物体在908nm和1550nm光照下的成像结果。第一行显示在908nm波长下，分别在(A)256、(B)1024、(C)4096和(D)16384采样数下的成像效果。第二行显示在1550nm波长下，分别在(E)256、(F)1024、(G)4096和(H)16384采样数下的恢复结果。不同采样数量对应的采样率分别为1.56%、6.25%、25%和100%。
基于高性能MoTe2/Si SPD构建了一种先进的SWIR SPI系统，旨在实现高质量的SWIR成像。研究中，选择多个物体进行成像，设定分辨率为128 × 128像素，采用16384个哈达玛调制模式。由于无法生成负光照模式，将正负模式分开投影并通过减法操作实现等效调制检测，这种操作可有效降低背景光干扰。在不同采样率下复原目标物体图像信息，并使用结构相似性参量（SSIM）评估恢复图像的质量。结果显示，在采样率为25%时，恢复图像与100%采样率下恢复图像的相似度超过97%。这表明，使用SPI技术，能够以较少的采样率实现高质量图像恢复。
图5. 图像提取结果：第一行显示在908nm照射下，物体在(A)水平方向、(B)垂直方向和(C)45度方向的边缘结果；第二行则显示在1550nm照射下，物体在(D)水平方向、(E)垂直方向和(F)45度方向的边缘结果。所有结果对应的采样数为256、1024、4096和16384。
与传统方法通过材料特性提取物体边缘不同，计算算法的灵活性使其能够直接获取物体边缘。为实现边缘提取，我们预先卷积滤波处理哈达玛调制模式获取计算算法中使用的边缘调制模式。采用三种边缘滤波器，分别用于获取目标物体图像的水平、垂直和45度的边缘结果。我们验证了方法的有效性，并在不同采样率下获取了物体的边缘信息，如图5所示。结果显示，当采样数量为4096时，可以清晰提取物体边缘，表明MoTe2/Si PD在边缘成像方面具有强大能力。该方法不依赖于材料特性，利用算法的灵活性有效提高边缘提取效率。定量分析显示，在25%的采样率下，获得的边缘结果与全采样结果的相似度高达98%。这证明了该方法能够在低采样率下实现高质量边缘图像恢复。
图6 强散射介质成像：第一行探测器前覆盖白纸等效强散射介质，第二行为不同采样数下的复原结果。
图7 1550nm光照散射环境下的成像结果。第一行显示不同采样数下的复原图像结果。第二行为水平方向的复原边缘结果。第三行为垂直方向的复原边缘结果。第四行为45度方向的复原边缘结果。从左往右每一列的采样数分别为256, 1024, 4096 和16384。
传统光学相机通常使用阵列探测器，相机整个视野内的景象与阵列上的像素在空间上是相关的，每个像素接收来自其对应空间位置的光以产生电信号。然后，相机通过同时读取阵列上不同位置的电信号来重建空间图像。然而，在现实环境中，各种干扰因素会影响成像结果。例如，在路径中存在的散射介质将会导致传统阵列成像变得极具挑战。本文所提计算成像技术中每次采样测量全局强度值。散射介质会降低接收到的总信号强度，不会降低图像重建质量。因此，即使路径中存在散射介质，所提技术也能实现有效的图像重建。为了展示这种方法独特的抗散射能力，在探测器前覆盖一张白纸来等效强散射介质，系统仍可获取高质量物体图像信息。
总之，本研究展示了一种先进的计算成像系统，结合了单点MoTe2/Si自供能光电探测器与灵活的哈达玛调制解调算法，在短波红外（SWIR）波段通过计算方式生成高质量的物体图像信息。这种卓越的红外成像能力源于MoTe2/Si光电探测器的固有特性，包括超宽的光谱范围（265-1550纳米）、高灵敏度（线性动态范围高达123 dB，响应度达0.33 A/W，外部量子效率高达43%，检测度超过1.8×10^13 Jones）。此外，该成像系统在强散射环境和低采样率条件下仍能实现高质量的物体成像。这项工作将有效推动二维材料在SWIR波段计算成像领域的应用。
论文信息
Computing imaging in shortwave infrared bands enabled by MoTe2/Si 2D-3D heterojunction-based photodiode
Dongfeng Shi, Jiawang Chen, Menglei Zhu, Zijun Guo, Zixin He, Ming Li, Di Wu*, Yingjian Wang*, Liang Li*
DOI: 10.1002/inf2.12618
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