【资讯】罗毅院士团队：攻克动态忆阻器-盖革雪崩探测器集成难题

2026-09-15 18:05:04

单光子探测技术是量子通信、激光雷达和生物医学成像等前沿领域的基石。盖革模式雪崩光电二极管虽具备单光子灵敏度，但其被动淬灭电路中固定电阻引入的RC延迟，严重限制了计数率与时间分辨率。清华大学罗毅院士和汪莱教授团队与中国电子科技集团公司第四十四研究所合作，在本期发表的论文中，首次实现了动态忆阻器与盖革模式雪崩光电二极管的单片集成，为这一瓶颈提供了突破性解决方案。

该工作的核心创新在于巧妙解决了材料兼容性难题。动态忆阻器依赖活性银离子迁移实现电阻自适应调制，然而银在硅基器件中具有“毒性”，会扩散进入半导体引发深能级缺陷。研究团队通过原子层沉积致密氧化铝扩散阻挡层，并结合反向电极结构设计，有效抑制了银离子渗透。实验表明，集成器件暗电流降低了一个数量级，淬灭恢复时间从微秒级缩短至32.5纳秒，较固定电阻淬灭提升30倍，在25 MHz频率下计数率提高十倍。

值得关注的是，该工作揭示了动态忆阻器在长时间工作下的性能退化机制——导电细丝形貌演化导致开关比下降，为后续可靠性优化指明了方向。这一单片集成架构为可扩展硅光电倍增管的研制铺平了道路，有望在弱光探测领域实现灵敏度与时间分辨率的同步提升。

盖革雪崩探测器（GmAPD）是一种重要的单光子探测技术，在激光雷达、量子通信、深空探测等领域有广泛的应用前景。通常GmAPD需要通过电路淬灭的方式才能实现可持续的光子计数；最简单的淬灭方式为串联电阻被动淬灭，当雪崩发生时，串联电阻通过分压将GmAPD的雪崩淬灭。然而，大淬灭电阻引入RC延迟，降低GmAPD动态反应速率。针对这个难题，作者团队在前期提出了基于动态忆阻器的淬灭方式，将固定电阻替换为阻值受电压调制的动态忆阻器，在雪崩淬灭与恢复过程中动态适配阻抗，提升计数速率。该工作致力于研究将动态忆阻器集成于GmAPD的关键技术。

动态忆阻器通过活性电极（如Ag、Cu等）的电致氧化还原反应，形成可受电压调控的、分布于介电层中的导电细丝来调节阻抗。当与GmAPD集成时，活性金属离子易从忆阻器电极扩散至硅衬底，引入缺陷，造成暗电流和暗计数的恶化。为克服这一难题，研究团队采用原子层沉积（ALD）技术生长了约50 nm厚的致密Al2O3薄膜，阻断金属离子向硅衬底的扩散。此外，团队通过反转忆阻器电极结构设计，改变了阻变层内的电场分布，使得Ag+受到的电场驱动力远离硅衬底，从源头上削弱了扩散。暗电流降低1个数量级至约100 pA，饱和计数速率超过11 MHz，显著高于定值电阻淬灭的1 MHz水平。

图 动态忆阻器与GmAPD集成结构示意图与计数性能测试结果

研究团队指出：“该研究为高性能单光子探测器阵列的实现提供了可行的集成方案，对推动高带宽、高密度片上集成光电系统的发展具有重要价值。团队未来将进一步解决动态忆阻器在长时间工作下的阻态漂移问题，通过优化介质层组分与电极界面结构，提升离子迁移的均一性与循环耐久性，以满足弱光探测的长期稳定性需求。”

参考文献： 中国光学期刊网

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