光电探测器技术研究进展：新兴材料应用及器件结构创新

1 引言

光电探测器作为一种将光信号转换为电信号的关键器件，在现代科技领域扮演着不可或缺的角色。随着纳米技术、新材料科学和微电子加工技术的飞速发展，光电探测器技术近年来取得了令人瞩目的突破。新兴材料如二维材料、钙钛矿、量子点的出现，为光电探测器性能提升提供了全新途径；器件结构的创新设计，如异质结、极化场调控和混合集成结构，极大地改善了器件的响应速度、灵敏度和稳定性，推动了技术的持续创新。本文系统综述了光电探测器领域的研究进展，重点关注新兴材料体系、器件结构创新，旨在为相关领域研究人员提供全面的技术参考和研究思路。

2 新兴材料在光电探测器中的创新应用

2.1 二维材料与异质结

二维材料（如 SnSe、MXene 等）凭借其独特的电子和光学特性，为高性能光电探测器提供了新的材料选择。研究表明，基于二维 SnSe 纳米片 /p-Si 的II 型异质结器件展现出显著的自驱动特性——在零偏压下即可产生短路电流和开路电压，并展现出 992.9mAW¹ 的响应度和 6.77×10⁹ Jones 的探测率。这种器件在光照条件下电流较暗电流提升 1.74 倍，具有快速响应能力（上升时间 τr=140ms ，下降时间 τd=110ms ）和优异的光开关比。

MXene 作为新兴二维材料在光电探测领域展现出革命性潜力。通过调控其表面官能团（-O、-F 等）和层间间距，MXene 可同时实现 80% 以上的可见光透过率和低于 100Ω/sq 的方块电阻，完美适配透明电极需求。在肖特基结器件中，Ti₃C₂T_X MXene 与半导体形成的理想势垒高度（0.7-1.2 eV）使暗电流降低至pA量级，响应度突破 10³A/W 。

氧等离子体处理可将 MXene 功函数从 4.1 eV 调控至 5.3 eV，匹配不同半导体能级。分子插层技术使载流子迁移率提升3 个数量级，达到45 )cm²/(V⋅s) 。这些特性使 MXene 在近红外（NIR）探测器中的比探测率达 10¹³ Jones。三明治结构的 MXene/ 钙钛矿 /MXene 器件实现 22% 的外量子效率（EQE）。柔性器件在1000 次弯曲后性能衰减 ⟨5% ，拉伸应变耐受性达 35% 。

2.2 钙钛矿材料

金属卤化物钙钛矿作为最具潜力的探测材料，其光电性能已大幅超越传统半导体材料，但由于其稳定性的限制，使得在商业上的应用受到了极大的阻碍。钙钛矿器件的稳定性主要包括环境稳定性与电场稳定性两方面，其中环境稳定性能够通过封装屏蔽环境水氧解决，但电场稳定性却因偏置电压驱动下离子迁移导致难以实现。

上海光机所邵宇川研究员团队针对钙钛矿材料的场致离子迁移现象，提出了交流电压法以主动修复偏置电压下的离子迁移，避免了离子持续迁移积累所导致的器件失效，从而实现工作过程中的长期稳定。基于电场预处理后的 Au/ MAPbBr /Au 器件实现了 ～10^-6 nA cm-¹ V^-1 s^-1 的低暗电流漂移及 5.43×10⁴ ( 空穴 ) 和 4.78×10⁴ ( 电子 ) μc Gyair-¹ cm^-2 的高灵敏度，并进行了低剂量下的X 射线成像。

2.3 量子点材料

胶体量子点因其尺寸可调的带隙、低成本溶液加工性和优异的光电特性，在光电探测领域显示出巨大潜力。中国科大戴宁团队提出了一种一步强酸表面处理新策略，通过设计该双功能处理方法同步实现天然绝缘配体的替换与表面氧化铟的消除，从而有效解决胶体 InSb 量子点因表面结构复杂和易水解氧化导致的载流子迁移率低及光谱响应范围受限的难题。

研究团队通过该策略显著提升量子点薄膜的界面钝化效果与载流子传输性能，成功使InSb 量子点薄膜获得空穴迁移率达 1.4cm²V^-1 s^⊤ 的突破性数值，并首次研制出可在室温下工作的宽带 InSb 量子点红外光电导探测器，其光谱响应范围扩展至 3 μm 以上，在 3.0 μm 处实现 4.7×10⁷ Jones 的比探测率，成为目前无铅/ 无汞量子点体系中波长最长的带间光电探测器。

3 光电探测器器件结构的创新设计

3.1 异质结结构设计

异质结结构通过两种以上不同半导体材料的界面形成能带偏移，可有效调控光生载流子的产生、分离和传输过程，是提升光电探测器性能的重要手段。基于二维 SnSe 纳米片 / 'p-Si 的 II 型异质结器件利用其能带对齐特性，在零偏压下实现光生载流子的有效分离，表现出优异的自驱动特性。 Ga₂O₃/AlN/ AlGaN:Si 异质结则通过精确控制能带偏移（1.27 eV 的导带偏移和 0.09 eV 的价带偏移），实现了载流子的高效收集和倍增。

在光通信应用领域，具有 InAlAs/InGaAs p 型异质结构的单行载流子光电探测器展现出优异的高频特性。与 InP 材料相比，InAlAs 材料较高的导带及价带能量能够更加有效地在大功率下阻挡光生电子向电子阻挡层的扩散，同时减小光生空穴向 p 接触层渡越时的势垒高度，因此具有更好的饱和特性。仿真结果显示，具有 800nm 吸收层厚度以及20 μm 有源区直径的光电探测器具有20GHz 以上的零偏压3 dB 带宽，其零偏压下的直流饱和电流及饱和输入光功率分别为 1.64mA 和 2.512mW 。

3.2 电极结构优化与阵列设计

电极结构优化和阵列设计对于提高光电探测器的高频性能和大功率处理能力至关重要。研究提出、设计并制备了一种双管芯对称连接 p-i-n 光电探测器阵列。所制备的有源区直径为2 μm 的双管芯对称连接光电探测器阵列在 5mA 平均光电流下实现了超过14 GHz 的3 dB 带宽，且在 60mA 的大功率工作状态下保持了超过 12GHz 的 3 dB 带宽。

首次对双管芯对称连接光电探测器阵列的电极结构进行了优化。制备了优化前后的对称连接光电探测器阵列电极，优化后的电极在 40 GHz 频率点测得的传输损耗与优化前相比降低了 1.1 dB。对具备优化后的电极结构的双管芯p-i-n 光电探测器阵列进行了制备及测试，电极优化后的光电探测器阵列的 3dB 带宽相比优化前提升了 6.6GHz 。

提出并设计了具有更多光电探测器管芯的中心对称光电探测器阵列的电极结构，并对三管芯、四管芯阵列的电极结构进行了仿真优化，为具备更高饱和电流及饱和输出功率的光电探测器阵列的研制奠定了基础。

3.3 混合集成结构

混合集成结构结合了不同功能器件的优势，能够实现性能的显著提升。提出了一种与亚波长光栅功分器混合集成的高性能双管芯对称连接 ( 背入射 ) 光电探测器阵列结构。设计、制备、测试了用于该结构的功分器，测试结果显示，所制备的功分器的功分比为1:0.9。

完成了亚波长光栅功分器分别与 结构及单行载流子结构对称连接光电探测器阵列的混合集成，与正入射光电探测器阵列相比，混合集成结构引入的插入损耗在 5 dB 以下。所制备的单行载流子混合集成阵列的 3 dB 带宽最高达到 23GHz ，其交流饱和电流及饱和RF 输出功率在12 GHz 处达到 87.9mA 和16 dBm。

这种混合集成器件在结构设计上避免了光信号相位失配的问题，消除了单片光电探测器阵列对相位补偿机制的需求，大大简化了光电探测器阵列的耦合复杂度，为高速光通信系统提供了理想的光电转换解决方案。

4 结语

光电探测器作为光电子技术的核心部件，其技术进步对多个领域的发展具有重要推动作用。本文综述了光电探测器在材料体系、器件结构面的最新研究进展。二维材料、钙钛矿材料、量子点材料，新兴材料为光电探测器性能提升提供了丰富选择；异质结设计、电极优化和混合集成等创新结构显著改善了器件的响应速度、灵敏度和稳定性。随着材料科学、纳米技术和加工工艺的进步，光电探测器将向多谱段、智能化、柔性化和集成化方向发展，为人类感知世界提供更加强大的技术手段。