罗毅院士团队：攻克动态忆阻器-盖革雪崩探测器集成难题 | 主编推荐

Chinese Optics Letters 2026年第4期：

Yubo Yang, Jizhe Zhao, Jiyuan Zheng, Yinjie Liu, Xiaoran Wang, Beichen Liu, Anran Guo, Boyi Yu, Boyu Wen, Yixuan Xie, Xiaoyu Feng, Yongpan Liu, Zhibiao Hao, Hongtao Li, Yanjun Han, Jian Wang, Bing Xiong, Changzheng Sun, Lin Gan, Yi Luo, Lai Wang, "Overcoming metal ion penetration in dynamic memristor-Geiger-mode avalanche photodiode integration for high-speed photon counting," Chin. Opt. Lett. 24, 042501 (2026)

推

荐

阅

读

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。

该研究巧妙融合了新型忆阻器件与经典光电探测技术，特此推荐给相关领域读者。

哈尔滨工业大学 肖淑敏教授

Chinese Optics Letters 主编

研究背景

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。

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。”

图 动态忆阻器与GmAPD集成结构示意图与计数性能测试结果

郑纪元

清华大学

主要研究方向：机器视觉芯片、高灵敏探测器、相变材料与应用

郑纪元，清华大学电子工程系副研究员、国家优秀青年科学基金获得者。2011本科毕业于哈尔滨工业大学，2017年博士毕业于清华大学电子工程系，2017年-2019年前往弗吉尼亚大学开展第一期博后研究，2019年-2020年前往芝加哥大学开展第二期博后研究。基于第一性原理计算方法设计数字合金材料并制备高灵敏光电探测器，集成动态忆阻器实现动态阻抗匹配，采用感内计算架构实现单光子级别微光智能感知。发表学术论文50余篇。获得已授权国家发明专利17项，美国发明专利1项。

汪莱

清华大学

主要研究方向：GaN基Micro-LED、蓝绿光激光器、感存算一体化芯片等

汪莱，清华大学电子工程系教授、全国重点实验室主任、国家杰出青年科学基金获得者。2003年和2008年在清华大学电子工程系分别获得学士和博士学位。长期从事宽禁带半导体材料与光电子器件研究，近年来的研究兴趣包括GaN基Micro-LED、蓝绿光激光器、感存算一体化芯片等。主持国家重点研发计划课题、自然科学基金项目。发表SCI论文200余篇，作国际会议邀请报告30余次。担任期刊《Applied Physics Express》与《Journal of Information Display》编委。曾获国家科技进步二等奖与电子学会科技进步一等奖。

罗毅

中国工程院院士

清华大学

主要研究方向：化合物半导体光电子器件及其集成应用技术

罗毅，清华大学电子工程系教授，清华大学科协主席，中国工程院院士。于1983年在清华大学获学士学位，分别于1987年、1990年在日本东京大学获硕士和博士学位。1992年起受聘清华大学电子工程系教授。1995年获国家杰出青年科学基金，1999年入选国家级高层次人才计划。主要研究化合物半导体光电子器件及其集成应用技术，包括服务于大数据中心的光互联和基于光学的人工智能技术。发表学术论文300余篇，授权发明专利30余项，获得国家技术发明二等奖3项，国家科技进步二等奖1项。