基于新材料體系的中紅外光電探測器

|作者：王欽生1　孫棟2，?

(1 北京理工大學(xué)物理學(xué)院）

(2 北京大學(xué)物理學(xué)院 量子材料科學(xué)中心)

本文選自《物理》2026年第1期

摘要中紅外光電探測器作為現(xiàn)代光電技術(shù)的重要組成部分，在工業(yè)檢測、航天遙感和國防軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。紅外探測技術(shù)的應(yīng)用始于二戰(zhàn)期間，并歷經(jīng)了四代的發(fā)展。文章對中紅外光電探測器的發(fā)展歷史、當(dāng)前應(yīng)用的主要類型、未來發(fā)展方向等方面內(nèi)容進行討論，著重介紹基于拓撲材料、二維材料及其異質(zhì)結(jié)等新型材料體系的中紅外波段光電探測器的研究探索，以及利用超表面等結(jié)構(gòu)增強探測器性能并開發(fā)新的光參量探測器方面的進展，最后探討人工智能技術(shù)的應(yīng)用為紅外探測器的智能化發(fā)展提供的新機遇。中紅外光電探測器技術(shù)正在快速發(fā)展，新型材料和新結(jié)構(gòu)的引入，以及人工智能技術(shù)的融合，將為這一領(lǐng)域帶來新的變革，未來將滿足各領(lǐng)域?qū)Ω咝阅堋⒌凸摹⑿⌒突t外探測器的需求。

關(guān)鍵詞紅外探測器，拓撲材料，二維材料，超表面結(jié)構(gòu)

1 引 言

光電探測器是將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的關(guān)鍵核心器件，在通信、成像、傳感與測量等領(lǐng)域具有重要作用。其中，工作于2.5—25 μm波段的中紅外光電探測器由于工作波段覆蓋了地球上絕大多數(shù)物體熱輻射的主要波段，以及地球大氣在3—5 μm(中波紅外)和8—14 μm(長波紅外)這兩個低光吸收率“大氣窗口”，因此在工業(yè)檢測、安防監(jiān)控、航天遙感、國防軍事等方面具有尤為重要的作用。本文將對中紅外探測器的發(fā)展歷史、當(dāng)前主要類型以及未來發(fā)展方向等方面進行介紹。

2 紅外探測器的發(fā)展歷史

早期的紅外探測器主要是基于熱效應(yīng)的熱電偶、熱電堆、測輻射熱計(bolometer)等熱探測器。二戰(zhàn)期間，德國及美國發(fā)明了基于硫化鉛中光電導(dǎo)效應(yīng)的光子型探測器，并應(yīng)用于軍事相關(guān)領(lǐng)域。1959年，勞森等人發(fā)明了碲鎘汞(HgCdTe)這一當(dāng)前紅外探測器的核心材料[1]，通過調(diào)節(jié)Hg和Cd的比例，可以連續(xù)調(diào)整這種三元合金的禁帶寬度，從而覆蓋從短波到甚長波(VLWIR)的整個紅外波段，尤其是能夠完美匹配3—5 μm和8—14 μm這兩個大氣窗口，這為紅外探測提供了合適的材料平臺。在這以后，中紅外探測器主要經(jīng)歷了四代的發(fā)展(圖1)[2]。第一代紅外探測器主要基于單元探測器或者線列探測器并通過機械掃描成像，第二代紅外探測器以焦平面陣列(FPA)與凝視成像為代表，再加上讀出集成電路的發(fā)展，使得成千上萬個探測器像素(光敏元)收集到的光電信號可以進行放大、積分和多路傳輸，進而實現(xiàn)了探測芯片與硅基讀出電路(ROIC)的互連。利用大規(guī)模探測器面陣，可以無需機械掃描就實現(xiàn)整個面陣直接“凝視”目標(biāo)場景的積分曝光，大大提高了探測器的靈敏度和幀頻。第三代探測器在上一代的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了高像素、大面陣和多色探測。當(dāng)前正在發(fā)展的第四代探測器，正在向著更高性能大面陣探測器、多色/多波段探測、非制冷工作、智能化等方向發(fā)展。

圖1　紅外探測器的發(fā)展歷史[2]。紅外探測器經(jīng)歷了由單點掃描成像向大規(guī)模成像探測器件的發(fā)展，可大致分為四代，圖中給出了每代探測器的典型特征和紅外探測器發(fā)展中的重要里程碑節(jié)點

3 當(dāng)前紅外探測器的主要類型

按照紅外光與物質(zhì)相互作用效應(yīng)的不同，可以將紅外探測器分為熱探測器和光子探測器兩個主要大類。熱探測器主要包括測輻射熱電偶和熱電堆、測輻射熱計、熱釋電探測器、熱相變探測器等，其主要工作原理是測量由光吸收引起溫度變化而導(dǎo)致的探測器電阻變化、熱電電壓、相變等。光子探測器可分為光電導(dǎo)探測器和光伏探測器，主要是測量由于光電效應(yīng)導(dǎo)致的電子由價帶躍遷到導(dǎo)帶而產(chǎn)生的光電流或者光電壓。當(dāng)前的高性能紅外探測器大部分是光子型探測器，主要包括以下幾種。

(1)碲鎘汞探測器

HgCdTe是當(dāng)前高性能紅外探測器最常用的材料[3]，其最大優(yōu)勢在于禁帶寬度可調(diào)。HgCdTe是HgTe和CdTe的合金，其中CdTe是半導(dǎo)體，HgTe是半金屬。通過改變Hg和Cd的組分比例(通常表示為Cd的組分

)，可以連續(xù)、精確地調(diào)節(jié)其禁帶寬度從0 eV(半金屬)到1.6 eV(對應(yīng)可見光探測)，從而使得帶隙完美匹配待探測的波長。另外，因為HgCdTe紅外探測器是基于本征吸收，對紅外光子的吸收率非常高(圖2(a))，這意味著探測器具有高量子效率和探測靈敏度。另外，相對于其他長波紅外材料(如非本征硅)，HgCdTe可以在更高的溫度下工作(例如77 K以上)，這降低了對制冷系統(tǒng)的要求。但是，HgCdTe材料制備困難，鍵合較弱，晶體生長過程中容易產(chǎn)生缺陷，且不同Hg、Cd的成分比例對應(yīng)著不同帶隙，這導(dǎo)致HgCdTe焦平面材料均勻性較差、成品率較低、成本高昂。

圖2　傳統(tǒng)探測器的能帶示意圖和光吸收過程[2] (a)HgCdTe半導(dǎo)體材料探測器的能帶示意圖；(b)GaAs/AlGaAs量子阱探測器的能帶示意圖；(c)InAs/GaSbⅡ型超晶格探測器的能帶示意圖

(2)InSb探測器

InSb是一種III-V族化合物半導(dǎo)體，它在中波紅外領(lǐng)域占據(jù)著極其重要的地位。InSb在77 K下的本征禁帶寬度約為0.23 eV，該帶隙對應(yīng)的紅外截止波長

E ≈5.4 μm，恰好覆蓋了整個中波紅外(3—5 μm)大氣窗口。另外，InSb是所有已知半導(dǎo)體中電子遷移率最高的材料之一，因此基于InSb的光電二極管具有非常高的響應(yīng)速度。另一方面，InSb的晶體生長技術(shù)非常成熟，可以制備出面積大、均勻性好、缺陷密度低的單晶材料，使得制造大規(guī)模、高性能的InSb焦平面陣列成為可能，因而InSb紅外探測器廣泛應(yīng)用于軍事、航天和工業(yè)測溫領(lǐng)域。但是，由于InSb禁帶寬度是固定的，因此只能用于中波紅外探測，無法像HgCdTe那樣通過調(diào)節(jié)組分來覆蓋長波紅外。此外，為了抑制噪聲，它通常也需要在77 K的液氮溫度下工作。

(3)量子阱探測器

量子阱探測器基于GaAs/AlGaAs等半導(dǎo)體材料體系，通過能帶工程設(shè)計量子阱來吸收特定波長的紅外光。量子阱探測器中的光吸收主要基于量子阱中的子帶躍遷，其探測波長可以通過量子阱的厚度以及勢壘/阱材料的成分進行設(shè)計(圖2(b))。通過先進的材料生長技術(shù)(如分子束外延或金屬有機化學(xué)氣相沉積)，量子阱探測器具有較高的探測靈敏度和較低的本征噪聲；量子阱內(nèi)的電子躍遷過程非常快，使其適合高速探測應(yīng)用；另外，量子阱探測器制造工藝與成熟的半導(dǎo)體技術(shù)兼容，可以制成大規(guī)模、均勻性好的焦平面陣列。但是量子阱探測器由于子帶躍遷的選擇定則等因素，使其量子效率與HgCdTe探測器相比存在劣勢。

(4)II型超晶格探測器

II型超晶格(T2SL)探測器由InAs/Ga(In)Sb等材料交替生長構(gòu)成超晶格，其探測波長由超晶格層厚決定。該類探測器中InAs層與Ga(In)Sb層形成Ⅱ型離隙型能帶排列，電子和空穴分別被限制于InAs層與Ga(In)Sb層中。與半導(dǎo)體量子阱中的分立能級不同，超晶格中由于勢壘層厚度較薄，相鄰InAs層中電子波函數(shù)的交疊在導(dǎo)帶內(nèi)形成電子微帶，而相鄰Ga(In)Sb層中空穴波函數(shù)的交疊則在價帶內(nèi)形成空穴微帶。紅外輻射信號的探測，是通過電子在最高空穴微帶(即重空穴帶)與最低電子微帶(即第一電子微帶)之間吸收光子發(fā)生躍遷來實現(xiàn)的(圖2(c))。Ⅱ型超晶格具有類似HgCdTe的“能帶可調(diào)”特性，并且還具有相近的量子效率、高響應(yīng)率、高電子有效質(zhì)量、低俄歇復(fù)合概率等優(yōu)點，并且材料外延及器件工藝相對穩(wěn)定，因而成為紅外探測器應(yīng)用的一類主要材料體系。

(5)阻擋雜質(zhì)帶探測器

阻擋雜質(zhì)帶探測器(blocked impurity band, BIB)中的光吸收利用的是雜質(zhì)能級上的電子躍遷，因而可以探測光子能量遠小于半導(dǎo)體禁帶寬度的低能光子。它在雜質(zhì)帶光電導(dǎo)(impurity band conduction, IBC)探測器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入一層本征的阻擋層，由于阻擋層作用，BIB探測器的暗電流通常比IBC探測器小，非常有利于探測微弱輻射信號(圖3(a))。BIB探測器探測波長比較寬(可以覆蓋5—300 μm波段)、探測率高、抗輻射性好，廣泛應(yīng)用于各種大型天文基長波紅外探測平臺。

圖3　傳統(tǒng)探測器的能帶結(jié)構(gòu)及器件結(jié)構(gòu) (a)阻擋雜質(zhì)帶探測器的能帶結(jié)構(gòu)；(b)量子點探測器的能帶示意圖，由于量子限域效應(yīng)的存在，量子點的空間尺寸大小直接影響能帶帶隙的大小；(c)熱探測器結(jié)構(gòu)示意圖

(6)量子點探測器

量子點紅外探測器是一種利用半導(dǎo)體量子點作為光敏材料的新型紅外探測技術(shù)。通過改變量子點的尺寸、成分和形狀，可以精確調(diào)控其吸收和響應(yīng)波段，覆蓋短波、中波、長波甚至太赫茲等多個紅外大氣窗口。量子點具有大的光吸收截面和載流子壽命，以及較低的俄歇復(fù)合率，可以實現(xiàn)較高的探測靈敏度(圖3(b))。量子點材料(如膠體量子點)可通過溶液法合成，并旋涂或印刷在硅讀出電路上，易于實現(xiàn)低成本、大規(guī)模制造，以及與硅基集成電路單片集成，適合應(yīng)用在消費電子、柔性器件、工業(yè)檢測等方面。但是，當(dāng)前量子點探測器的暗電流噪聲較大，比探測率與HgCdTe探測器相比尚有差距。

(7)VO2等熱探測器

當(dāng)前中紅外波段的光子型探測器為了降低熱激發(fā)產(chǎn)生的暗電流，工作時需要低溫條件，一般需要使用各種類型的制冷裝置。當(dāng)前非制冷的紅外探測器主要基于熱探測器，尤其是基于氧化釩(VO

)或非晶硅(a-Si)的熱敏效應(yīng)(圖3(c))。它們無需深度制冷，成本低、體積小，但靈敏度和響應(yīng)速度遠低于制冷型的光子探測器(如HgCdTe和InSb)，主要應(yīng)用于民用和低端軍事領(lǐng)域。

4 探測器的性能及主要發(fā)展方向

衡量光電探測器的主要性能指標(biāo)包括響應(yīng)度、噪聲等效功率、比探測率、響應(yīng)速度等，各指標(biāo)的具體含義如表1所示。在探測器應(yīng)用過程中，一般需要根據(jù)具體應(yīng)用場景，例如探測目標(biāo)的光譜特性及動態(tài)特性、工作環(huán)境溫度等，選擇需要的關(guān)鍵性能指標(biāo)及相應(yīng)的探測器類型。唐納德·里高等人于1999年提出SWaP3 (Size, Weight, Power, Performance and Price)概念來綜合衡量紅外探測器的性能，即需要探測器向小型化、輕重量、低功耗、高性能、低成本綜合方向發(fā)展，以滿足工業(yè)市場及民用市場對紅外探測的需求，例如在電力與工業(yè)巡檢、自動化生產(chǎn)檢測等方面的工業(yè)應(yīng)用以及醫(yī)療健康檢測等方面的消費電子應(yīng)用。基于此，當(dāng)前紅外探測器的發(fā)展追求更高的靈敏度、更快的速度，以及利用多色探測增加圖像分辨能力；在此基礎(chǔ)上發(fā)展非制冷、小型化、輕量化的探測器。但是，對于傳統(tǒng)半導(dǎo)體及超晶格材料的光子型探測器，雖具備高靈敏度與快速響應(yīng)潛力，但在室溫下受熱激發(fā)噪聲、暗電流影響嚴重，而當(dāng)前主流中長波紅外成像技術(shù)仍嚴重依賴制冷系統(tǒng)，龐大的制冷系統(tǒng)顯著增加了設(shè)備體積、功耗與成本，制約了其在便攜式設(shè)備與大規(guī)模部署中的應(yīng)用。因此，開發(fā)可實現(xiàn)室溫工作且兼具高靈敏度與超快響應(yīng)的新型光敏材料探測器，已成為紅外光電領(lǐng)域的迫切需求與前沿挑戰(zhàn)。一方面，基于新型材料，發(fā)展具有更高響應(yīng)性能的紅外探測器，是當(dāng)前紅外探測器發(fā)展的一個重要研究方向。另一方面，利用超材料、超表面等器件結(jié)構(gòu)設(shè)計，增強探測器的探測性能，并為探測器提供除光強以外新的光參量感知能力，是紅外探測器發(fā)展的另一個重要研究方向。另外，人工智能技術(shù)的興起，為紅外探測器的智能化提供了新的機遇，后端信號處理的感存算融合一體化正在引導(dǎo)探測器向智能化發(fā)展。下面將對當(dāng)前基于新型材料體系，包括拓撲材料及二維材料體系，利用超表面器件結(jié)構(gòu)設(shè)計增強探測器性能，以及基于新型器件結(jié)構(gòu)開發(fā)智能探測器的相關(guān)工作進行介紹。

表1　光電探測器核心性能指標(biāo)定義與計算公式

4.1　基于拓撲材料的新型紅外探測器

在衡量光電探測器的性能指標(biāo)中，最核心的指標(biāo)是比探測率，它反映了探測器在單位輻射功率下的信號檢測能力。比探測率的物理本質(zhì)是器件中光激發(fā)的定向電流與熱激發(fā)的定向電流的競爭。在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體紅外探測器中，比探測率的大小與材料吸收系數(shù)正相關(guān)，而與器件中的熱載流子產(chǎn)生率負相關(guān)[4]。由于傳統(tǒng)紅外探測器是基于窄帶隙半導(dǎo)體，室溫下的載流子濃度及熱載流子產(chǎn)生率較高，因而需要利用低溫來抑制熱載流子產(chǎn)生率以提升器件的比探測率。

拓撲材料的出現(xiàn)為突破傳統(tǒng)紅外探測器性能限制提供了新的材料平臺。拓撲材料具有獨特的能帶結(jié)構(gòu)和拓撲物態(tài)，在光電探測領(lǐng)域展現(xiàn)出特殊優(yōu)勢。一方面，拓撲材料的能帶結(jié)構(gòu)使其具有比傳統(tǒng)紅外探測材料更高的光吸收系數(shù)；另一方面，部分拓撲材料能帶具有的自旋動量鎖定等特性，可以在特定條件下通過光激發(fā)直接注入定向光電流。在傳統(tǒng)半導(dǎo)體探測器中，光激發(fā)載流子與熱激發(fā)載流子都基于同樣的電荷分離手段(例如PN結(jié)內(nèi)建電場等)，因而與比探測率相關(guān)的光激發(fā)的定向電流只正比于光激發(fā)的電子空穴產(chǎn)生率，熱激發(fā)的定向電流正比于熱激發(fā)的電子空穴產(chǎn)生率。而在拓撲材料中，特定光激發(fā)條件下的電荷有望比熱激發(fā)電荷具有更好的定向流動特性，從而提升器件的比探測率。另外，基于拓撲材料的紅外探測器還具有低噪聲、高靈敏度、超快響應(yīng)速度等優(yōu)異特性。

圖4　拓撲材料提升光電探測性能的物理機理[5，6] (a)外爾半金屬中利用圓偏振光產(chǎn)生光電流的原理示意。在左圖單一直立的外爾錐中，能帶的自旋動量鎖定特性使得圓偏振光只能激發(fā)具有一個運動方向的載流子，形成與外爾錐手性相關(guān)(圖中

代表外爾錐的手性)的定向電流。在右圖傾斜的外爾錐中，產(chǎn)生的定向電流由于光激發(fā)過程的泡利躍遷禁戒作用，并不嚴格與外爾錐的手性相關(guān)，因而體系中兩相反手性外爾錐中產(chǎn)生的光電流并不完全抵消，體系具有非零的凈電流；(b)拓撲絕緣體Pb 0.7 Sn0.3Se與傳統(tǒng)紅外探測材料HgCdTe的光吸收系數(shù)對比。由于Pb0.7Sn0.3Se存在能帶反轉(zhuǎn)導(dǎo)致的高光學(xué)躍遷矩陣元，以及墨西哥帽型能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的高聯(lián)合態(tài)密度，其帶邊吸收系數(shù)是傳統(tǒng)紅外探測材料HgCdTe的10倍以上

當(dāng)前，各國已在基于拓撲材料的高性能紅外探測器開發(fā)方面投入了大量人力物力并取得了較大的進展[5—8]。理論方面，加州大學(xué)伯克利分校的T. Morimoto與東京大學(xué)N. Nagaosa合作指出，固體材料中的光伏效應(yīng)等非線性光響應(yīng)與材料電子能帶結(jié)構(gòu)的貝里聯(lián)絡(luò)/曲率等拓撲性質(zhì)有關(guān)，因而基于拓撲材料有望實現(xiàn)高性能光電器件[7]；美國麻省理工學(xué)院的Patrick Lee指出在拓撲材料外爾半金屬中，利用由費米能級位置引起的泡利躍遷禁戒以及晶體結(jié)構(gòu)對稱性約束的共同作用，有望實現(xiàn)室溫?zé)o偏壓的中遠紅外光探測(圖4(a))[5]；美國麻省理工學(xué)院李巨團隊預(yù)言，拓撲絕緣體中由于存在墨西哥帽型能帶結(jié)構(gòu)，其帶邊對應(yīng)波段的光學(xué)響應(yīng)比傳統(tǒng)材料高1—2個量級[8]，其中拓撲半導(dǎo)體Pb0.7Sn0.3Se在長波紅外波段比傳統(tǒng)紅外探測材料Hg0.21Cd0.79Te的光響應(yīng)強10倍以上(圖4(b))[6]。實驗方面，北京大學(xué)孫棟課題組、山東大學(xué)于浩海課題組、美國波士頓學(xué)院的Kenneth Burch課題組基于狄拉克半金屬材料Cd3As2、外爾半金屬TaAs、外爾半金屬TaIrTe4開發(fā)了紅外光電探測原型器件(圖5)[9—11]；其中，在外爾半金屬中觀察到了拓撲效應(yīng)貢獻的有效電荷分離而產(chǎn)生的光激發(fā)定向電流。另外，北京理工大學(xué)王欽生等人在第二類外爾半金屬WTe2中，觀測到由于邊界對稱性破缺導(dǎo)致的反常光電流響應(yīng)，揭示了晶體對稱性在光電響應(yīng)中的重要作用[12]；斯坦福大學(xué)Shi Jiaojian等人實驗發(fā)現(xiàn)Janus結(jié)構(gòu)的1T’ MoSSe材料相比同條件下MoS2材料的非線性光響應(yīng)強20—50倍[13]，展示了拓撲材料在光電器件方面的潛在應(yīng)用前景；此外，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王林團隊，基于狄拉克半金屬PdTe2、PtSe2、NiTe2和外爾半金屬NbIrTe4，成功研制出了一系列兼具高靈敏度、快速響應(yīng)及偏振分辨能力的新型室溫太赫茲探測器[14]。綜上可知，拓撲材料有望提高中長波紅外光電探測的響應(yīng)性能，實現(xiàn)中長波紅外的高性能非制冷探測。

圖5　基于拓撲材料紅外光電探測的研究進展[10，11] (a)外爾半金屬TaAs與已知鐵電材料的光伏效應(yīng)系數(shù)對比。由于拓撲效應(yīng)，TaAs的體光伏效應(yīng)系數(shù)遠強于其他已知的鐵電材料；(b)外爾半金屬TaIrTe4中的光電流響應(yīng)強度與激發(fā)光強度的依賴關(guān)系，其斜率代表器件響應(yīng)度，其中LP-

a

代表沿

a

軸方向的線偏振光激發(fā)，LP-b代表沿

b

軸方向的線偏振光激發(fā)。LCP代表左旋圓偏振光激發(fā)，RCP代表右旋圓偏振光激發(fā)。由于拓撲效應(yīng)的存在，TaIrTe 4 在外爾點附近的三階光響應(yīng)系數(shù)很高，中紅外波段無偏置條件下的光響應(yīng)度高達130.2 mA?W-1

雖然拓撲材料展示出較好的紅外探測應(yīng)用潛力，但當(dāng)前實驗獲得的響應(yīng)參數(shù)較理論預(yù)言存在較大差距，仍需對拓撲材料中光生載流子的弛豫、輸運行為等光電響應(yīng)相關(guān)過程進行表征及調(diào)控優(yōu)化。需要特別注意的是，拓撲材料中表面態(tài)的存在會嚴重降低載流子的壽命[15]，從而影響比探測率等核心參數(shù)。此外，盡管目前已有基于拓撲材料的高靈敏度光電探測器，但大多數(shù)僅限于單像素探測器，這限制了獲取高分辨率紅外圖像的能力，迫切需要突破單像素限制，開發(fā)基于拓撲材料陣列的成像器件。然而，拓撲材料大面積均勻制造工藝尚不成熟，開發(fā)拓撲材料生長技術(shù)，特別是兼容硅基工藝的拓撲材料生長技術(shù)，無疑是構(gòu)建高集成度、大規(guī)模中長波紅外成像系統(tǒng)的關(guān)鍵路徑。

4.2　基于二維材料及其異質(zhì)結(jié)的紅外光電探測器

二維材料由于具有量子限域效應(yīng)帶來高光吸收系數(shù)、有利于異質(zhì)結(jié)集成的原子級平整界面等優(yōu)異特性，近年來在光電探測領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。在中紅外光探測方向，由于需要較窄帶隙，探測材料主要基于無帶隙的石墨烯，窄帶隙的黑磷(BP)、黑砷磷、PtS2、PtSe2、PdSe2等。

石墨烯是最早被應(yīng)用于紅外光電探測方向的二維材料。2009年，IBM的夏豐年等人基于石墨烯制備了高速的光探測器[16]，并于次年將石墨烯探測器應(yīng)用于高速光通信(圖6(a))[17]；2013年，南洋理工大學(xué)的王岐捷團隊利用電子捕獲中心及能帶結(jié)構(gòu)工程等手段，將石墨烯探測器的響應(yīng)度提高了3個量級[18]；2014年，密歇根大學(xué)的劉昌樺及馬里蘭大學(xué)的蔡星漢等人分別基于石墨烯實現(xiàn)了室溫的中紅外及太赫茲波段的光探測[19，20]。

在基于二維半導(dǎo)體材料的紅外探測方面，耶魯大學(xué)夏豐年團隊、南京大學(xué)繆峰團隊、南洋理工大學(xué)的王岐捷團隊、新加坡國立大學(xué)的Andrew Wee團隊分別基于黑磷、黑砷磷、PtSe2、PdSe2實現(xiàn)了中紅外波段的光電探測[21—24]。基于上述材料的異質(zhì)結(jié)，研究人員進一步開發(fā)了具有更高性能的紅外探測器，2018年，加州大學(xué)伯克利分校AliJavey團隊基于BP/MoS2異質(zhì)結(jié)，制備了室溫外量子效率35%的中波紅外探測器[25]；2019年，南京大學(xué)王肖沐團隊在InSe/BP垂直異質(zhì)結(jié)中[26]，首次提出并實驗實現(xiàn)了“彈道雪崩”這一新型PN結(jié)擊穿機制，通過在超薄溝道的二維材料異質(zhì)結(jié)中實現(xiàn)載流子的“共振”式倍增，解決了傳統(tǒng)雪崩器件需要高電壓、噪聲大等關(guān)鍵瓶頸問題，基于此機制制備的中紅外探測器展現(xiàn)出實現(xiàn)單光子級別靈敏探測的巨大潛力(圖6(b))[26]。2021年，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所胡偉達團隊構(gòu)建了PdSe2/BN/WS2以及BP/MoS2/石墨烯異質(zhì)結(jié)，利用范德瓦耳斯單極勢壘結(jié)構(gòu)阻擋導(dǎo)致噪聲的暗電流，同時不影響光電流的傳輸，從而顯著提升了探測器在室溫下的信噪比(圖6(c))[27]。此外，復(fù)旦大學(xué)王建祿團隊基于BP/MoS2/黑砷磷異質(zhì)結(jié)，實現(xiàn)了室溫下高探測率的中波紅外探測器[28，29]；中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所的李紹娟團隊基于MoSe2/PdSe2異質(zhì)結(jié)，實現(xiàn)了非制冷近紅外至長波紅外波段的偏振敏感探測器[30]；東南大學(xué)倪振華團隊基于石墨烯/BP/MoS2/石墨烯異質(zhì)結(jié)[31]，實現(xiàn)了探測性能可比擬商用HgCdTe探測器的CMOS兼容的中紅外探測器。上述工作展示了二維材料及其異質(zhì)結(jié)是開發(fā)新型中紅外探測材料體系的一個重要方向。

圖6　基于二維材料的紅外光電探測進展[16，17，26，27] (a)石墨烯光探測器的頻率響應(yīng)特性。由于石墨烯材料具有的零帶隙特性及高遷移率特性，這種光探測具有很高的響應(yīng)速度。上圖展示了石墨烯光探測器在80 V柵壓下具有40 GHz的調(diào)制帶寬，下圖展示了基于叉指電極結(jié)構(gòu)的石墨烯探測器零柵壓下的3 dB帶寬為16 GHz；(b)InSe/BP垂直異質(zhì)結(jié)中的彈道雪崩響應(yīng)。圖示為該異質(zhì)結(jié)在10 K下的彈道雪崩效應(yīng)，灰線和紅線分別為無光和4 μm激光照射下器件的

V

曲線，藍線為相應(yīng)的倍增系數(shù)，右上插圖為結(jié)構(gòu)示意圖；(c)利用多子阻擋層降低二維材料異質(zhì)結(jié)紅外探測器暗電流噪聲的原理示意。上圖為范德瓦耳斯單極勢壘結(jié)構(gòu)能帶示意圖，通過在n型器件中引入電子阻擋層，或者在p型器件中引入空穴阻擋層，可以降低器件的暗電流。在下圖所示的p型器件中，藍色小球代表導(dǎo)帶中的電子，紅色小球代表價帶中的空穴，箭頭方向代表電子/空穴的運動方向，由于造成暗電流的石墨烯空穴被空穴勢壘層阻擋，從而顯著抑制了器件暗電流

然而，由于二維材料光探測器中存在的新物理效應(yīng)、器件結(jié)構(gòu)的多樣性以及制備過程中引入的材料界面缺陷等問題，當(dāng)前對基于二維材料的新型紅外探測器的性能表征仍存在不一致性，部分結(jié)果甚至有高估的可能。因此，在后續(xù)發(fā)展中，需要著重注意對各類新型材料的探測器性能的準確、可靠的評估與表征[32—35]。

4.3　利用超材料提升紅外探測器的響應(yīng)性能

利用超材料、超表面等亞波長微結(jié)構(gòu)手段提升紅外探測器的響應(yīng)性能是紅外探測器發(fā)展的另一重要方向[36]。一方面，利用超表面共振結(jié)構(gòu)可以顯著提升器件在特定波段的光吸收能力，進而增強光電響應(yīng)性能；另一方面，超表面結(jié)構(gòu)可以改變局域光場特性及光場與探測器件的耦合特性，進而提高探測器對于偏振、相位、波長、入射角度、軌道角動量等多維光學(xué)信息的感知能力。

使用等離激元結(jié)構(gòu)可以極大增強局域光場強度，從而增加光吸收。利用這一點，可以解決石墨烯等二維材料由于材料厚度不足導(dǎo)致的光吸收率低的問題。2011年，曼徹斯特大學(xué)Novoselov組利用金屬等離激元結(jié)構(gòu)，將石墨烯探測器的響應(yīng)度提高了20倍[37]。2014年，哈佛大學(xué)Capasso課題組利用金屬微結(jié)構(gòu)天線增強石墨烯光探測器的吸收能力，使4.45 μm波長的光響應(yīng)度增強了200倍[38]。2016年，普渡大學(xué)Kildishev課題組利用分形結(jié)構(gòu)超表面，將石墨烯探測器的響應(yīng)度在寬波段范圍內(nèi)增強了一個量級[39]。另外，通過將石墨烯加工成等離激元結(jié)構(gòu)，IBM的Phaedon Avouris組將石墨烯探測器的響應(yīng)度增強了6倍[40]，耶魯大學(xué)的夏豐年組實現(xiàn)了12.2 μm下16 mA/W的光響應(yīng)度(圖7(a))[41]。南加州大學(xué)Povinelli課題組利用超表面光柵增強了黑磷材料以及黑磷—二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的光吸收，與無光柵結(jié)構(gòu)的器件相比，響應(yīng)度和比探測率增強了一個量級[42，43]。

圖7　利用超表面增強光電探測性能及多參量感知能力[41，45—47] (a)利用石墨烯等離激元結(jié)構(gòu)提升紅外探測器的響應(yīng)度。圖中GDPRS代表石墨烯等離激元諧振結(jié)構(gòu)，TCE和NNH是電子的兩種輸運機制，其中TCE代表熱載流子激發(fā)，NNH代表近鄰躍遷，黑色實線代表勢能高度，兩個石墨烯等離激元諧振結(jié)構(gòu)間的石墨烯納米帶中勢能無序較高。在無等離激元激發(fā)時，電子溫度較低，電子輸運主要是效率較低的近鄰躍遷，在有等離激元激發(fā)時，電子溫度高，電子輸運主要是效率較高的熱載流子激發(fā)；(b)基于超表面的中紅外偏振探測器，通過在石墨烯上制備具有特定形狀的納米天線，可以改變器件對于不同偏振狀態(tài)光的吸收繼而改變器件的光響應(yīng)電流，從而實現(xiàn)偏振探測；(c)基于超表面的中紅外偏振探測器利用非中心對稱的亞波長金屬納米天線結(jié)構(gòu)破缺石墨烯的中心對稱性，從而產(chǎn)生類似體光伏效應(yīng)的響應(yīng)，實現(xiàn)了偏振敏感的光響應(yīng)；(d)基于超表面的中紅外圓偏振探測器，通過在石墨烯環(huán)帶上設(shè)計具有鏡面對稱的等離激元納米結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了器件響應(yīng)與光偏振態(tài)的對應(yīng)

超表面等微結(jié)構(gòu)除了可以用來提升材料的光吸收能力，更重要的一點是可以通過微結(jié)構(gòu)的設(shè)計，賦予超表面光探測器對于偏振、相位、波長、入射角度、軌道角動量等多維光學(xué)信息的感知能力。通過在光敏材料上加工一維光柵、T型/L型/V型天線或手性微結(jié)構(gòu)等金屬微結(jié)構(gòu)[44—48]，可以改變材料對于不同線偏振狀態(tài)或者圓偏振狀態(tài)的光電響應(yīng)，從而使得光探測器具有偏振響應(yīng)能力(圖7(b)，(c))。通過集成不同形狀和方向的超表面微結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)對光偏振態(tài)的全斯托克斯參量探測(圖7(d))[46]。通過設(shè)計超表面的共振波長和入射角度偏好，新型光探測器也可以實現(xiàn)對入射波長和入射角度的感知[49，50]。通過選擇具有特定對稱性的光敏材料并設(shè)計特殊形狀的電極，新型光探測還可以實現(xiàn)對光場軌道角動量的探測[51，52]。這些結(jié)構(gòu)增強了探測器對多維度光信息的感知能力。

但是，超表面結(jié)構(gòu)的引入，一方面增加了器件加工工藝的復(fù)雜度，并且金屬結(jié)構(gòu)的歐姆損耗、介質(zhì)材料的吸收損耗，以及超表面與探測器之間的阻抗失配，會造成能量損失，可能會降低器件整體效率；另一方面，超表面的性能提升往往依賴于共振效應(yīng)，犧牲了器件的工作帶寬。因此，在利用超表面結(jié)構(gòu)提升探測器的性能時，需要根據(jù)應(yīng)用場景權(quán)衡器件的性能參數(shù)。

4.4　智能化器件的發(fā)展

人工智能技術(shù)的發(fā)展為紅外探測器的智能化提供了新的機遇。隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，對紅外信息的探測和智能感知的需求日益增長。其中一個重要發(fā)展方向是將紅外光電探測器、存儲單元和計算單元集成在一起，形成智能化的紅外傳感系統(tǒng)[53]。這是由于現(xiàn)代探測器的多光參量感知能力的發(fā)展，使得探測器端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)巨大增長，傳統(tǒng)的探測模式下海 量數(shù)據(jù)需經(jīng)過傳輸、存儲等過程，然后經(jīng)過計算單元的計算才能獲得所需信息，這會消耗大量的資源并產(chǎn)生信息延遲。受到動物視覺過程的啟發(fā)，智能探測器通過在探測器內(nèi)部或者探測器附近先進行簡單的數(shù)據(jù)計算處理任務(wù)，再輸出處理后的關(guān)鍵信息，進行下一步信息處理，這樣充分減少了傳輸、存儲、計算過程中的大量冗余數(shù)據(jù)(圖8)。通過對探測器性能的實時動態(tài)調(diào)控，研究人員實現(xiàn)了探測器內(nèi)部計算、計算光譜重建等功能[54—56]，可以直接利用探測器實現(xiàn)簡單的圖像處理任務(wù)[57]；通過引入歷史依賴的光響應(yīng)，可以使探測器具有記憶功能；通過構(gòu)建光電憶阻器陣列作為圖像感知元件，可以在探測器陣列間實現(xiàn)類似神經(jīng)突觸連接的功能，從而在探測器端模擬視覺功能，直接在探測器中實現(xiàn)初級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算，使得智能探測器可以實現(xiàn)類似人眼的圖形識別等功能[58，59]。這些智能化發(fā)展，一方面提升了探測器的探測性能，另一方面也為探測器提供了新的功能。

圖8　傳統(tǒng)探測器信息處理方式與智能化探測器信息處理方式對比。傳統(tǒng)信息處理方式是將探測器采集的所有信息傳輸?shù)接嬎銌卧M行處理，信息傳輸量巨大；智能化探測器在探測器內(nèi)部將探測數(shù)據(jù)中與目標(biāo)應(yīng)用相關(guān)的關(guān)鍵信息進行提取后，再進行傳輸，信息傳輸量較小

5 總 結(jié)

本文回顧了中紅外探測器發(fā)展的歷史、當(dāng)前應(yīng)用的主要探測器類型、探討了中紅外探測器未來的發(fā)展方向。雖然當(dāng)前許多新型探測器還存在材料與器件性能長期穩(wěn)定性不足、規(guī)模化制造與器件一致性難題有待克服、器件性能評估及標(biāo)準化缺乏統(tǒng)一標(biāo)準、系統(tǒng)集成尚未成熟等挑戰(zhàn)，但是，當(dāng)前中紅外光電探測器技術(shù)正處于快速發(fā)展的階段，新型材料和新結(jié)構(gòu)的引入，人工智能技術(shù)的融合，以及學(xué)界及產(chǎn)業(yè)界正在聯(lián)合推動建立的標(biāo)準化的性能表征與報告指南，將有助于通過“產(chǎn)學(xué)研用”深度合作，針對性突破關(guān)鍵材料、工藝和集成技術(shù)，為新型中紅外探測器這一領(lǐng)域帶來新的變革，滿足各領(lǐng)域?qū)Ω咝阅堋⒌凸摹⑿⌒突t外探測器的需求。

致 謝感謝北京理工大學(xué)物理學(xué)院周耀強教授的討論及郭可瑩、呂松林、常振寧同學(xué)的繪圖幫助。

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