综述：多波段光电探测器综述：从紫外线到红外线

《Materials Science in Semiconductor Processing》：A review of multiband photodetectors: From ultraviolet to infrared

　　朱家康|王鹏|戴麒麟|范立波
中国河南省许昌市461000，许昌学院表面微纳材料研究所先进材料与能源学院，河南省微纳储能与转换材料重点实验室

摘要
光电探测器作为将光信号转换为电信号的核心光电器件，在光通信、高分辨率成像、精密传感、国防以及环境监测等诸多领域发挥着不可或缺的作用。尽管已有大量综述文章聚焦于有限的光谱范围或单一材料体系，但从统一视角系统总结并比较覆盖紫外、可见光和红外波段的全光谱光电探测器所面临的共同挑战及跨光谱发展机遇的文章却寥寥无几。本文以多波段协同发展为核心理念，全面总结了各光谱波段的代表性材料、器件结构、关键性能指标以及多样化的应用场景，涉及的材料包括宽禁带半导体、钙钛矿和二维材料。在全面总结的基础上，本文进一步深入分析了制约光电探测器发展的普遍跨光谱挑战，包括性能评估标准的统一、基于硅的集成技术的兼容性、大面积制造的技术瓶颈以及整体经济可行性等问题。针对这些关键问题，本文提出了缺陷调控工程、异质结构集成以及集成传感与计算技术等具有前瞻性的解决方案。本综述旨在为高性能宽光谱光电探测器的合理设计、可规模化制备及技术创新提供一份独特的、以挑战为导向且着眼于机遇的权威参考资料，同时为解决阻碍光电探测器从实验室研究走向实际商业应用的诸多核心障碍提供创新性思路。

引言
光电探测器是一种能够检测光或电磁辐射并将其转换为电信号的器件；本质上属于光电器件，它利用光电导效应将光子能量转化为载流子，从而产生电流或电压输出[1,2]。其核心机制基于光电导效应，该效应主要可分为内光电效应和外光电效应。具体而言，内光电效应发生在半导体材料中：当光子被吸收时，电子会被激发从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对——这一过程会改变材料的电导率或产生电势差。而外光电效应则是光子将材料表面的电子击出，从而引发光电子发射[3]。由于具备这些多样的工作机制，光电探测器被广泛应用于从日常电子设备到先进科学仪器在内的各种领域。这种广泛的适用性进一步凸显了它们在光通信[4,5]、成像[6,7]、传感[8]、国防安全[9]以及环境监测[10]等关键领域的不可或缺性。为了满足这些重要应用的高要求，光电探测器需要具备高响应度[11]、高灵敏度[12]、低响应时间[13]、低暗电流[14]等关键性能指标。根据工作原理，光电探测器可分为三类：光电导型[15]、光伏型[16,17]和光发射型[18]。光电导型光电探测器的工作机制如下：光照会在半导体内部产生额外的非平衡载流子，进而导致材料整体电导率（或电阻）发生可逆变化。在外加偏压的作用下，这种变化会转化为可检测的光电流波动[19]。光伏型光电探测器则依靠PN结和肖特基结等结结构的内建电场来工作。这种电场能够有效分离结区附近由光激发的电子-空穴对，并将其引导至器件的两端，从而在无外部电源的情况下（零偏压条件下）直接产生光电压或光电流[17]。至于光发射型光电探测器，其工作机制是当入射光子的能量足够高时，光阴极材料表面的电子会被完全激发并释放到真空环境中。这些被释放的电子在外加电场的加速作用下被阳极收集，最终在真空中形成可检测的光电流[20]。目前，关于不同光谱波段工作的光电探测器的系统性综述仍然较少。光电探测器是根据其工作光谱波段进行分类的，分类依据主要是它们对不同电磁光谱范围的响应特性。常见的分类包括紫外光波段[21,22]、可见光波段[23,24]和红外光波段[4,25]。本文旨在系统梳理覆盖整个光谱范围的光电探测器，并对其展开详细阐述。论述按照不同的工作光谱波段展开，首先介绍紫外光探测器，接着是可见光探测器，最后是红外光探测器，重点分析各波段对应的材料、工作机制以及新兴应用。

光电探测器的研发不仅追求卓越的性能指标（如响应度、灵敏度和响应速度），还需要综合考虑其在实际应用中的稳定性、效率以及可规模化性。稳定性决定了器件在高温、高湿和辐射等恶劣环境下的长期可靠性。效率则直接关系到器件将光信号转换为电信号的能力以及能量利用效率。可规模化性则涉及器件的大规模、低成本制造以及其与现有微电子工艺（如CMOS）的集成潜力。理解并平衡这些关键因素之间的权衡关系，对于推动光电探测器从实验室原型走向商业化应用至关重要。

然而，随着光检测技术向全光谱覆盖、多功能化及智能化方向发展，人们越来越迫切地需要系统识别并解决不同光谱波段的光电探测器所面临的共同挑战，并从统一的跨光谱视角探索其协同发展潜力。目前的综述文章通常孤立地讨论单个光谱区域，缺乏对不同波段材料性能的横向比较，也缺乏对器件集成兼容性的全局考量、对标准化性能评估的统一呼吁，以及将实验室研究成果转化为实际产品所必需的深入经济可行性分析。为填补这一研究空白，本文提供了一种以挑战与机遇为导向的全光谱光电探测器综述。本文的主要贡献体现在多个方面：首先，本文采用多波段协同发展的视角，不仅总结了各光谱区域光电探测器的材料、工作机制及实际应用，还从宏观层面探讨了多波段探测器件之间的内在关联及协同发展潜力；其次，本文聚焦于普遍存在的跨光谱限制问题，将性能评估标准统一、基于硅的集成兼容性、大规模制造瓶颈以及经济可行性作为核心研究主题，深入分析了这些问题对整个光检测领域的制约作用及发展机遇；第三，本文提出了包括缺陷工程、异质结构集成以及集成传感与计算技术在内的具有前瞻性的创新策略，以解决上述技术难题并指导后续研究方向；最后，本文通过在本章开头阐述基本原理，并单独设置章节讨论跨领域挑战与机遇，构建了合理的结构安排，有效减少了内容重复，提升了整体的逻辑连贯性。本文的整体框架如下：第二、三、四节分别详细介绍了紫外光、可见光和红外光光电探测器的材料体系、工作机制以及在成像、光通信和传感应用中的先进应用。第五节从跨光谱和跨材料的维度，全面分析了光检测领域内存在的共同技术障碍、集成制造限制、非标准化的性能表征问题以及商业化前景。最后，第六节对全文内容进行总结，并对全光谱光检测技术未来的发展趋势进行了全面展望。

片段摘录
**紫外光光电探测器**
在对紫外光检测技术进行系统分析之后，我们转向能量密度最高、应用范围最广的可见光波段（380–780?nm）[26]。该波段既是太阳辐射的能量峰值区域，也是人类视觉感知的核心范围。在真空中，其波长范围通常为10–400?nm，对应的能量范围为3.1–124?eV（见图1a）[[28], [29], [30]]。波长低于200?nm的紫外辐射被称为真空紫外光（VUV），它能够……

**可见光光电探测器**
可见光光电探测器是一类能够感知电磁光谱中380～780?nm（通常定义为400～700?nm）范围内的光子，并将其高效转换为光电流和光电压等电信号的光电器件。可见光波段不仅是太阳辐射能量最集中的区域，也是人眼实现视觉感知的唯一光谱窗口。因此，……

**红外光光电探测器**
作为将红外辐射能量转换为可测量电信号的核心光电器件，红外探测器与材料科学、光学工程以及信号处理技术的进步密切相关，在军事、民用以及科学研究等领域发挥着不可替代的作用。作为现代光电子技术的关键组成部分，红外光电探测器的工作原理是通过某种相互作用产生电信号……

**跨领域的挑战与机遇**
从紫外光到红外光，宽禁带半导体在稳定性和灵敏度（D*）方面显著优于钙钛矿（在高温/辐射条件下衰减率低于5%），但在可规模化性和灵活性方面则稍逊一筹。而钙钛矿/二维材料则在效率（响应度/EQE）以及低成本的大面积制造方面表现优异，但其环境稳定性较差（在潮湿或光照条件下性能衰减率为20–30%）。这种整体的权衡关系反映了各种因素的综合影响……

**结论与未来展望**
要将实验室级别的光电探测器原型转化为具有商业价值的实际产品，关键在于解决两个重要的工程难题：与CMOS技术的兼容性以及可规模化制造。对于基于硅的异质集成而言，传统的宽禁带半导体（如GaN、SiC）由于外延生长温度过高以及与硅衬底的晶格失配较大而受到严重限制。尽管GaN在硅基上的集成技术已经相当成熟，但……

**作者贡献声明**
朱家康：数据整理，初稿撰写。王鹏：审稿与编辑。戴麒麟：审稿与编辑。范立波：审稿与编辑。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了许昌大学科学研究创新项目（2023ZX094）的财政支持。