南开新闻网讯（通讯员 程丹）近期，南开大学物理科学学院吴强、周旭、许京军教授团队在飞秒激光过饱和掺杂技术和硅基光电探测领域取得了重要进展，为宽光谱成像芯片的发展开辟了新道路。长期以来，研制能够覆盖可见光至红外波段的宽光谱CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor）一直是人工智能、自动驾驶、空间遥感及高速通信等领域的核心攻关方向。主流的硅基图像传感器仅能有效探测可见光波段，而铟镓砷、磷化铟等红外图像传感器则无法用于可见光探测，且存在制备工艺复杂、成本高昂，难以与主流 CMOS 芯片工艺完美兼容等痛点。针对上述情况，研究团队深入发展并完善了飞秒激光过饱和掺杂技术，通过对普通硅材料进行全新的改性加工，研发出一款性能出众、可直接对接 CMOS 工艺的宽光谱硅基光电探测器。
研究团队融合脉冲整形技术与飞秒激光过饱和掺杂技术，大幅提升掺杂硅材料表面微结构与元素分布的均匀性，全面优化器件探测性能。该探测器在可见光波段实现突破性提升，其核心指标峰值比探测率创下硅基光电探测器的最高纪录，可探测的黑暗环境（最弱光强）比商用高端硅基PIN探测器低200倍以上。尤为关键的是，该器件成功突破硅基光电探测器 1100 nm 的传统探测极限，在室温状态下实现1550 nm 红外波段稳定探测，真正打通可见光至近红外的宽光谱探测通道。此项成果为自动驾驶、激光雷达、弱光夜视成像、高精度医疗诊断等场景提供高性能、低成本、易集成的全新解决方案。相关研究成果以“Pulse-shaped femtosecond-laser-modified Si:S photodetector for ultrawide-spectrum focal plane arrays and weak-light detection”（用于超宽光谱焦平面阵列及弱光探测的脉冲整形飞秒激光改性硫掺杂硅光电探测器）为题发表于工程/制造学科领域国际著名学术期刊International Journal of Extreme Manufacturing。南开大学为论文第一完成单位，论文第一作者为南开大学博士研究生曹家欣。
团队长期致力于推动飞秒激光过饱和掺杂技术在半导体领域和光电领域的应用。近期的研究中，团队还相继提出了飞秒激光平整过饱和掺杂技术、飞秒激光掺杂结合纳秒激光激活技术，成功攻克了飞秒激光掺杂技术与先进节点芯片工艺兼容的核心难题，使其有望拓展至更多半导体材料与芯片体系，成为未来芯片制造中的标准制备工艺。目前，团队的相关技术已获得十余项国家发明专利授权，研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持。
图1 脉冲整形飞秒激光改性硅基光电探测器在宽光谱阵列探测中的整体设计。
图2 平整飞秒激光改性硅在CMOS工艺中的应用设计。
论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ae3b83/meta
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