超寬帶光電探測(cè)器研究進(jìn)展

光電探測(cè)器在許多應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，例如遙感、夜視、偵察、醫(yī)學(xué)成像、熱成像和化學(xué)檢測(cè)。隨著光電探測(cè)任務(wù)的逐漸復(fù)雜化，工作在不同波段的光電探測(cè)器逐漸被集成用于對(duì)同一場(chǎng)景的寬光譜探測(cè)。受限于集成系統(tǒng)的體積和任務(wù)模塊，常規(guī)的寬譜探測(cè)任務(wù)往往需要多個(gè)不同波段的探測(cè)器協(xié)同工作，極大增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，因此具有超寬帶探測(cè)（紫外-可見(jiàn)-紅外-太赫茲）能力的超寬帶光電探測(cè)器（UB-PD）逐漸成為國(guó)際研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。UB-PD一般指能夠覆蓋紫外、可見(jiàn)光、短波紅外、中波紅外、長(zhǎng)波紅外和太赫茲波段中的至少三個(gè)波段的PD。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，福州大學(xué)與清華大學(xué)的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“超寬帶光電探測(cè)器研究進(jìn)展”為主題的綜述文章。第一作者為劉宇副教授，主要從事新型光電探測(cè)材料與器件、光電探測(cè)與成像技術(shù)的研究工作。

該文章首先介紹了衡量光電探測(cè)器響應(yīng)性能的指標(biāo)以及常見(jiàn)光電探測(cè)器的主要類(lèi)型，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)回顧了不同類(lèi)型超寬帶光電探測(cè)器的研究進(jìn)展、發(fā)展現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)，并展望了未來(lái)的研究方向。

光電探測(cè)器的相關(guān)性能和類(lèi)型

光電探測(cè)器的性能

光電探測(cè)器的性能指標(biāo)主要有：響應(yīng)度、噪聲等效功率（NEP）、探測(cè)率、光電導(dǎo)增益、光譜響應(yīng)范圍、響應(yīng)時(shí)間等。

光電探測(cè)器的類(lèi)型

光電探測(cè)器的類(lèi)型主要有：測(cè)輻射熱計(jì)型器件（BE）、光熱電器件（PTE）、光電導(dǎo)器件（PCE）、光伏型器件（PVE）、光門(mén)控器件（PGE）。

超寬帶光電探測(cè)器的研究進(jìn)展

常見(jiàn)的超寬帶光電探測(cè)器的探測(cè)原理大部分是基于光子探測(cè)和熱探測(cè)?；诠庾犹綔y(cè)的光電探測(cè)器類(lèi)型有光電導(dǎo)器件、光伏型器件和光門(mén)控器件，而基于熱探測(cè)的光電探測(cè)器類(lèi)型有測(cè)輻射熱計(jì)和光熱電。除了這些常見(jiàn)的光電探測(cè)器類(lèi)型，近些年來(lái)也發(fā)現(xiàn)許多基于其他物理機(jī)制的超寬帶光電探測(cè)器，例如熱相變、熱釋電，以及多種探測(cè)機(jī)制復(fù)合器件。

測(cè)輻射熱計(jì)型器件（BE）

測(cè)輻射熱計(jì)型探測(cè)器可以在寬波段的范圍內(nèi)以非制冷模式運(yùn)行，因此測(cè)輻射熱計(jì)型光電探測(cè)器的探測(cè)范圍可以衍生到中紅外和更長(zhǎng)波段區(qū)域，并且在中紅外以上的區(qū)域提供超過(guò)光子探測(cè)器的探測(cè)效率，這對(duì)于超寬帶探測(cè)器是非常有用的。然而測(cè)輻射熱計(jì)型光電探測(cè)器其響應(yīng)性能主要受限于材料的電阻溫度系數(shù)（TCR），同時(shí)也受限于焦耳熱帶來(lái)的熱噪聲和取決于熱導(dǎo)率的響應(yīng)速度，這些因素的存在限制了測(cè)輻射熱計(jì)型光電探測(cè)器的發(fā)展。

圖1 （a）BE器件原理示意圖；（b）PTE器件原理示意圖；（c）PCE器件原理示意圖；（d）PVE器件原理示意圖；（e）PGE器件原理示意圖

2017年Cao等人在200至1000°C的各種退火溫度下制備了一系列獨(dú)立的還原氧化石墨烯（rGO）薄膜，并基于所制備的rGO薄膜，制造了完全懸浮的rGO光電探測(cè)器。該課題組為BE PD的發(fā)展提供了一種新的思路，利用不同的退火溫度改變材料的物性，從而影響其TCR。2018年Liu等人報(bào)告了一種基于懸浮碳納米管（CNT）薄膜的超寬帶BE PD。

優(yōu)異的測(cè)輻射熱計(jì)往往歸結(jié)于材料較低的熱導(dǎo)率、較大的比熱容、較高的TCR和良好的熱隔離。整體而言，測(cè)輻射熱計(jì)型的光電探測(cè)器在紫外-近紅外波段的劣勢(shì)明顯，而在中遠(yuǎn)紅外和太赫茲波段可能會(huì)因?yàn)槠浜?jiǎn)單方便的制備過(guò)程而具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，例如近年來(lái)發(fā)展迅速的微測(cè)輻射熱計(jì)型的紅外焦平面陣列（FPA）器件。

具有超寬帶光電響應(yīng)的測(cè)輻射熱計(jì)光敏層的熱導(dǎo)率可以簡(jiǎn)單通過(guò)表面工程調(diào)節(jié)，熱隔離可以通過(guò)良好的熱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，但是TCR作為材料的內(nèi)稟性質(zhì)。難以優(yōu)化。碳基材料由于光吸收度較大和高的TCR，在制備測(cè)輻射熱計(jì)型光電探測(cè)器表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)，所以未來(lái)基于碳基材料的測(cè)輻射熱計(jì)在實(shí)現(xiàn)超寬帶探測(cè)的功能上具有重要的價(jià)值。

圖2 （a）左圖為完全懸浮的rGO光電探測(cè)器及分別在不同溫度下進(jìn)行熱處理的實(shí)物圖，右圖為懸浮的rGO光電探測(cè)器不同退火溫度下的響應(yīng)特性；（b）左圖為毫米級(jí)和微米級(jí)CNT薄膜光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖，右圖為毫米器件和微米器件分別在空氣中和真空中的響應(yīng)曲線

光熱電器件

光熱電器件基于光-熱-電轉(zhuǎn)換的探測(cè)原理，其工作范圍可以涵蓋UV，可見(jiàn)光，紅外和THz波段，因而在長(zhǎng)波長(zhǎng)輻射檢測(cè)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，特別適合在室溫下檢測(cè)長(zhǎng)波紅外和THz輻射。但是光熱電器件的光響應(yīng)時(shí)間和熱耗散相關(guān)，通常這一類(lèi)型器件的響應(yīng)速度和響應(yīng)度較低，和基于測(cè)輻射熱計(jì)原理的超寬帶探測(cè)器相當(dāng)，但是其噪聲明顯小于測(cè)輻射熱計(jì)。

碳基材料作為常見(jiàn)的光敏層有非常顯著的寬光譜吸收率，在光熱電領(lǐng)域的運(yùn)用十分廣泛。2019年Wen等人同樣利用退火技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的物性轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到最佳的性能。該課題組開(kāi)發(fā)了基于在不同溫度（200-1000℃）下退火的自支撐rGO薄膜的光熱電光電探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)從紫外（375nm）到太赫茲（118.8μm）區(qū)域的超寬帶范圍的響應(yīng)。利用200°C下退火的rGO薄膜制備的器件顯示出最佳性能，其在375nm照明下的響應(yīng)度為87.3mV W?1，響應(yīng)時(shí)間為34.4ms（參見(jiàn)圖3a）。

圖3 （a）基于自支撐rGO薄膜的PTE UB-PD，及其I/V曲線圖和掃描光電壓結(jié)果；（b）基于LSG∕CsPbBr?的PTE UB-PD，及其多波長(zhǎng)光開(kāi)關(guān)光電流曲線和光譜響應(yīng)圖；（c）懸浮Pd還原氧化石墨烯-Ti（Pd-rGO-Ti）光電探測(cè)器，及其不同溝道下的退火溫度對(duì)器件響應(yīng)度的影響

除了單一的同質(zhì)薄膜器件，實(shí)際器件中，往往通過(guò)p-n結(jié)或非對(duì)稱的電極結(jié)構(gòu)等途徑實(shí)現(xiàn)光熱電結(jié)構(gòu)。2020年Li等人開(kāi)發(fā)了基于激光刻蝕還原氧化石墨烯（LSG）∕CsPbBr?的高性能、自供電和柔性PTE PD，器件在紫外到太赫茲范圍內(nèi)表現(xiàn)出超強(qiáng)的光電探測(cè)性能。

對(duì)于基于熱效應(yīng)的PTE PD，如何實(shí)現(xiàn)有效的光熱轉(zhuǎn)換和減少熱耗散是異常重要的。2021年Hu等人報(bào)告了自供電懸浮鈀-還原氧化石墨烯-鈦（PdrGO-Ti）光電探測(cè)器。除了碳基材料相關(guān)的光熱電研究外，近幾年來(lái)關(guān)于鈣鈦礦、拓?fù)浣^緣體、EuBiSe?單晶等相關(guān)材料在光熱電型光電探測(cè)器上的研究也深受關(guān)注。2019年Wang等人報(bào)告了一種由EuBiSe?單晶合金制成的PTE PD，該器件顯示了從紫外（375nm）到太赫茲（163μm）的室溫自供電光響應(yīng)。

圖4 （a）基于還原型SrTiO?（r-STO）的PTE光電探測(cè)器及其IV曲線圖；（b）基于CH?NH?PbI?（MAPbI?）和聚（3，4-乙烯二氧噻吩）：聚（4苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT：PSS）復(fù)合材料的光電探測(cè)器及其IV曲線圖；（c）基于NbS?的光熱電探測(cè)器及其IV曲線圖；（d）基于無(wú)鉛Cs?Cu?I?納米層薄膜的PTE光電探測(cè)器及其IV曲線圖

雖然光熱電器件和測(cè)輻射熱計(jì)型器件都是基于熱探測(cè)原理，想要獲得優(yōu)異的響應(yīng)性能，二者都需要較低的熱導(dǎo)率、高的光吸收、大的光熱轉(zhuǎn)換能力。但是光熱電器件與測(cè)輻射熱計(jì)不同的是，光熱電探測(cè)器原則上可以在零電流或零電壓下工作，而無(wú)需消耗外部功率，這樣可以減小偏壓帶來(lái)的散粒噪聲以及由焦耳熱產(chǎn)生的額外的熱噪聲，因此光熱電器件在超寬帶光電探測(cè)器的研究頗受關(guān)注。但是由于極大的依賴于光熱轉(zhuǎn)換，光熱電器件的響應(yīng)速度較于光子探測(cè)器而言往往較慢，并且響應(yīng)度受限于材料的塞貝克系數(shù)和熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率高，材料達(dá)到熱平衡的時(shí)間短，但光敏層的溫差減小，不利于提高響應(yīng)度，所以為需要通過(guò)提高塞貝克系數(shù)抵消由熱導(dǎo)率增加導(dǎo)致的低溫差。

光電導(dǎo)器件

光電導(dǎo)器件的實(shí)質(zhì)是一個(gè)光敏電阻，相應(yīng)的IV曲線形狀與暗電流相同。為實(shí)現(xiàn)較大的響應(yīng)電流，需要給予較大的偏置電壓，大的偏壓往往會(huì)產(chǎn)生大的暗電流。由于器件的響應(yīng)速度和材料的載流子遷移率密切相關(guān)，所以光電導(dǎo)器件的響應(yīng)速度一般來(lái)說(shuō)能夠達(dá)到微秒甚至納秒。

光電導(dǎo)探測(cè)器件的響應(yīng)機(jī)制是當(dāng)比帶隙能量大的光子被吸收，所產(chǎn)生電子-空穴對(duì)改變了半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，引起電流和電壓的變化，因此如何有效的分離電子-空穴是提高光電導(dǎo)型光電探測(cè)器的主要研究方向。對(duì)于結(jié)合能較大的光電材料，需要增大電離能，因此利用其他材料復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)，增強(qiáng)電子-空穴對(duì)的解離，是光電導(dǎo)器件性能提升的有效方法。2017年Zhang等人利用NaYF?：Yb，ErQDs對(duì)α-CsPbI?QDs進(jìn)行表面改性后制備橫向結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了從UV到可見(jiàn)光到NIR（260nm-1100nm）的寬帶響應(yīng)，且器件具有良好的光響應(yīng)性（1.5A W?1）、高開(kāi)/關(guān)比（高達(dá)104）和較短的上升/衰減時(shí)間（小于5ms）。

雖然形成異質(zhì)結(jié)是增強(qiáng)光電導(dǎo)的一個(gè)重要方法，但是對(duì)于光電導(dǎo)器件而言，利用窄帶隙材料制備器件亦為重要，單一的材料制備光電器件減少了復(fù)合材料的制備過(guò)程，從而提升效益。2017年Niu等人利用EuSbTe?制備PCE PD，器件具有紫外到太赫茲的超寬光譜響應(yīng)。

圖5 （a）EuSbTe?光電導(dǎo)型光電探測(cè)器及其響應(yīng)電流曲線；（b）EuBiTe?光電探測(cè)器及其響應(yīng)電流曲線；（c）SnSe/PET光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖及其響應(yīng)電流曲線；（d）基于多組分合金一維鎘-硫-硒（CdSxSe?-x）微納米結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器及其響應(yīng)電流曲線

通過(guò)在器件表面設(shè)計(jì)金屬光柵、陣列或設(shè)計(jì)光學(xué)微腔等結(jié)構(gòu)的方法能夠增加光吸收，并且能夠拓寬響應(yīng)波段。2018年Cakmakyapan等人提出了基于鍍金石墨烯納米條紋的光電導(dǎo)型納米結(jié)構(gòu)，它同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬帶和快速光探測(cè)。

對(duì)于超寬帶探測(cè)器而言，另一種有效的拓寬帶寬的方法是利用其他材料將紫外或者紅外轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光從而被材料進(jìn)一步吸收，達(dá)到超寬帶響應(yīng)的目的。2022年Ding等人分別采用UV發(fā)光聚光器（LC）、碘基鈣鈦礦量子點(diǎn)（PQD）和有機(jī)體異質(zhì)結(jié)（BHJ）作為UV、可見(jiàn)光和NIR光敏層，以構(gòu)建一個(gè)寬帶異質(zhì)結(jié)PD。

硒化物在光電導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用是十分常見(jiàn)的。2020年Xu等人報(bào)告了一種基于高質(zhì)量單硒化錫（SnSe）薄膜的新型UB-PD，該探測(cè)器是將SnSe薄膜剝離并轉(zhuǎn)移到聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上制備。

光電導(dǎo)器件和測(cè)輻射熱計(jì)都需要工作在一定的偏壓下，一般情況下，光電導(dǎo)器件的NEP與偏壓負(fù)相關(guān)，而響應(yīng)度與偏壓正相關(guān)。因?yàn)椴煌骷ぷ髟诓煌珘合?，?huì)導(dǎo)致器件之間的縱向比較無(wú)法準(zhǔn)確進(jìn)行。另外，部分研究工作中所展示的器件性能參數(shù)缺少規(guī)范的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，在低偏壓下測(cè)量NEP，而在高偏壓下測(cè)量響應(yīng)度，這也會(huì)對(duì)本領(lǐng)域其他研究者產(chǎn)生誤導(dǎo)。光電導(dǎo)器件作為光子器件，相比于熱效應(yīng)器件，具備較快的響應(yīng)速度和較大的響應(yīng)度，對(duì)于那些需要高靈敏度的探測(cè)任務(wù)而言，光電導(dǎo)器件是一個(gè)合適的選擇。但是由于需要施加偏壓，相比于自供電器件，光電導(dǎo)器件會(huì)表現(xiàn)出較大的暗電流和功耗。未來(lái)，光電導(dǎo)型的超寬帶光電探測(cè)器需要克服其在不同波段顯著的響應(yīng)性能差異問(wèn)題，這有可能通過(guò)設(shè)計(jì)特定的復(fù)合結(jié)構(gòu)解決。

光伏型器件

相比于熱探測(cè)原理的光電器件，光伏型器件的響應(yīng)速度更快，靈敏度更高。光子探測(cè)器的作用機(jī)理分為兩個(gè)部分，首先是材料受光激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這個(gè)過(guò)程受到材料的帶隙影響，并最終能夠影響探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍和光譜吸收率；第二個(gè)部分是電子-空穴對(duì)在外加電場(chǎng)的作用下解離成自由的電子和空穴，這個(gè)過(guò)程受到探測(cè)器的結(jié)構(gòu)影響，并且決定探測(cè)器的靈敏度和響應(yīng)度。常見(jiàn)的光伏型器件結(jié)構(gòu)包括p-n結(jié)、肖特基結(jié)和異質(zhì)結(jié)等。

石墨烯具有獨(dú)特的無(wú)間隙能帶結(jié)構(gòu)，因此其可以在非常寬的光譜范圍（UV到THz波段）上的進(jìn)行光激發(fā)產(chǎn)生電荷載流子（電子-空穴對(duì)），從而實(shí)現(xiàn)寬帶光吸收，因此近年來(lái)關(guān)于石墨烯異質(zhì)結(jié)PVE PD陸續(xù)被報(bào)道。

壓電效應(yīng)在增強(qiáng)光電探測(cè)器響應(yīng)度上被視為一種有效且簡(jiǎn)單的途徑，2018年Yu等通過(guò)旋涂法制備了CdS納米棒陣列/rGO薄膜異質(zhì)結(jié)，提供了從紫外到紅外區(qū)域（365-1450nm）的超寬帶自供電光響應(yīng)，與單組分CdS納米棒陣列或rGO薄膜單獨(dú)相比，CdS納米棒陣列/rGO薄膜異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出快速和穩(wěn)定的自供電光響應(yīng)（響應(yīng)時(shí)間小于1.7ms）。

圖6 （a）p-Si上集成CQD、rGO和AgNPs等材料制備PVE PD，及其I/V曲線對(duì)比；（b）基于TI Bi?Te?-Si垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)的UBPD，及其不同波段下的響應(yīng)電流；（c）Bi?Te?/并五苯異質(zhì)結(jié)PD，及其不同波段下的響應(yīng)電流。

拓?fù)浣^緣體（TI）由于其類(lèi)似狄拉克的表面狀態(tài)，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)從紅外到太赫茲的寬帶光電探測(cè)。2015年Yao等制備了一種基于TI Bi?Te?-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)的垂直構(gòu)造的UB-PD，器件具有從紫外（370.6nm）到太赫茲（118μm）的響應(yīng)范圍。

WS?、PtSe?和WSe?在內(nèi)的層狀過(guò)渡金屬二硫化物由于具有高載流子遷移率、可調(diào)帶隙、高穩(wěn)定性和柔韌性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是光電器件的優(yōu)秀潛在候選者。2018年Zeng等人報(bào)道了基于垂直排列的PtSe?-GaAs異質(zhì)結(jié)的高性能PD，該探測(cè)器表現(xiàn)出從深紫外到近紅外光的寬帶光響應(yīng)，峰值光響應(yīng)在650至810nm波段。

以上幾種材料因?yàn)槠洫?dú)特的物理性質(zhì)，在光電探測(cè)器領(lǐng)域被大量的研究，但是還有一些材料通過(guò)構(gòu)建異質(zhì)結(jié)或者是p-n結(jié)后有著優(yōu)異的效果，也被運(yùn)用在光伏型光電探測(cè)器。2015年Zhou等人通過(guò)在n型Si分層結(jié)構(gòu)上涂敷一層超薄的氧化鉬（MoO?-x）空穴選擇層來(lái)制造PVE PD，通過(guò)使用甲基鈍化界面獲得了優(yōu)異且穩(wěn)定的光響應(yīng)性能。異質(zhì)結(jié)PD對(duì)300至1100nm的寬光譜表現(xiàn)出高靈敏度。

近年來(lái)新發(fā)展一類(lèi)新型寬光譜響應(yīng)光子探測(cè)器，它們是基于橫向光伏效應(yīng)的CdTe/PbTe和ZnTe/PbTe異質(zhì)結(jié)二維電子氣探測(cè)器，具有室溫工作、寬響應(yīng)光譜、高速、高靈敏和低噪音等優(yōu)勢(shì)，響應(yīng)波長(zhǎng)覆蓋從可見(jiàn)光到中波紅外（4.0μm）；并且與常規(guī)的PbTe pn結(jié)光伏探測(cè)器相比，工作溫度從77K提高到了室溫工作。

圖7 （a）基于垂直排列的PtSe?-GaAs異質(zhì)結(jié)的UB-PD，及其光譜響應(yīng)圖；（b）多層PtSe?和Cs摻雜的FAPbI?組成的UB-PD，及其光譜響應(yīng)圖；（c）WS?/GaAsII型范德華異質(zhì)結(jié)PD，及其光譜響應(yīng)圖；（d）n型Si分層結(jié)構(gòu)上涂敷一層超薄的氧化鉬（MoO?-x）空穴選擇層構(gòu)建的UB-PD，及其光譜響應(yīng)圖；（e）AgNW/Si肖特基結(jié)PD，及其光譜響應(yīng)圖；（f）基于MAPbI?和有機(jī)BHJ溶液處理的UB-PD，及其光譜響應(yīng)圖。

光伏型超寬帶光電探測(cè)器的發(fā)展始終受限于兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：（i）如何有效地將電子-空穴對(duì)分離為自由載流子，以及（ii）如何增加器件的光吸收。針對(duì)于這兩個(gè)問(wèn)題，基于光伏型的超寬帶光電探測(cè)器在未來(lái)的發(fā)展方向?qū)⒆⒅赜谛纬筛邉?shì)壘的異質(zhì)結(jié)和制備具有垂直結(jié)構(gòu)的探測(cè)器。由于光伏型光電探測(cè)器在零偏壓下能夠運(yùn)行，可以制備快速響應(yīng)的自供電光電探測(cè)器，并且能夠?qū)崿F(xiàn)低噪聲探測(cè)，因此光伏型超寬帶光電探測(cè)器的研究近年來(lái)成果矚目。

光門(mén)控器件

光電門(mén)效應(yīng)通過(guò)在空穴（電子）復(fù)合前將通道中的電子（空穴）不斷循環(huán)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)超高的光學(xué)增益。然而，由于電荷轉(zhuǎn)移和俘獲過(guò)程較慢，因此相較于其他兩類(lèi)光子型的PD，基于光電門(mén)效應(yīng)的PD響應(yīng)速度通常比較慢。

依賴于強(qiáng)光吸收、有效的電荷分離、長(zhǎng)載流子壽命和通道中的高載流子遷移率，具有高增益的光門(mén)控器件在光檢測(cè)方面具有極大的靈敏度。2017年Ni等報(bào)告了一種B摻雜的Si QD/石墨烯PGE PD，通過(guò)B摻雜的Si QD的局域表面等離子體共振（LSPR）增強(qiáng)了石墨烯的MIR吸收。

增強(qiáng)光電響應(yīng)的一種方法是使器件吸收更多的入射光，而二維平面的光吸收較三維立體而言明顯較低，因此Deng等人報(bào)告了一種將二維（2D）掩埋柵GFET轉(zhuǎn)變?yōu)槿S（3D）管狀GFET的自卷起方法。由于管狀諧振微腔內(nèi)的光場(chǎng)增強(qiáng)，光-石墨烯相互作用面積增加，因此所得3D GFET的光響應(yīng)性顯著提高。

二維貴金屬過(guò)渡金屬硫化物（NTMCs）具有超高的空氣穩(wěn)定性、大的帶隙可調(diào)諧性和高的光響應(yīng)性，是一類(lèi)極有前途的光電材料。

圖8 （a）基于B摻雜的Si QD和石墨烯的混合光電晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖，及其器件性能表征；（b）基于鈣鈦礦/有機(jī)半導(dǎo)體垂直異質(zhì)結(jié)的光電晶體管器件示意圖，及其器件性能表征；（c）三維管狀GFET光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖，及其光譜響應(yīng)圖；（d）HgTe量子點(diǎn)/石墨烯光電晶體管實(shí)物圖，及其光譜響應(yīng)圖。

實(shí)現(xiàn)超寬帶光電探測(cè)器高靈敏度的關(guān)鍵策略是實(shí)現(xiàn)高增益，傳統(tǒng)的高增益光電探測(cè)器，包括雪崩光電二極管和光電倍增器，需要嚴(yán)格控制其復(fù)雜的制造過(guò)程。光門(mén)控效應(yīng)與場(chǎng)門(mén)控效應(yīng)類(lèi)似，是指通過(guò)光照明對(duì)載流子密度調(diào)制，從而對(duì)通道中的電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)非常高的增益效果，而且加工與制備相對(duì)簡(jiǎn)單。更重要的是，光門(mén)控型的器件不僅僅用做光探測(cè)，還可以作為光電晶體管，應(yīng)用于光計(jì)算光存儲(chǔ)等領(lǐng)域。所以在未來(lái)，基于光門(mén)控的超寬帶探測(cè)器的研究將會(huì)更加深入，在實(shí)際的應(yīng)用也會(huì)更加廣泛。

非常規(guī)類(lèi)型器件

除了常見(jiàn)幾種光電探測(cè)器類(lèi)型，近年來(lái)還有一些基于其他物理機(jī)制的UB-PD。通過(guò)結(jié)合光熱和熱釋電效應(yīng)，多功能PMN-28PT單晶可以實(shí)現(xiàn)從紫外到THz的寬波長(zhǎng)范圍的響應(yīng)（參見(jiàn)圖9a）。

相較于特殊物理機(jī)制的PD，復(fù)合效應(yīng)類(lèi)型的PD的研究更令人關(guān)注。通過(guò)復(fù)合機(jī)制，可以將原有的響應(yīng)波段進(jìn)一步拓寬，2018年Wu等人制備了基于MoS?的光電晶體管，光電晶體管分別在可見(jiàn)光和紅外光照射下表現(xiàn)出相反的光響應(yīng)行為。復(fù)合機(jī)制類(lèi)型的PD的工作原理可以是協(xié)同亦或者在不同的波段分別運(yùn)行，2020年Li等人報(bào)告了一種基于CH?NH?PbI? 薄膜的UV-THz雙機(jī)制PD。器件在紫外-可見(jiàn)和近紅外-THz波段的光響應(yīng)主要分別由光電導(dǎo)效應(yīng)和輻射熱效應(yīng)引起。

圖9 （a）基于PMN-28PT單晶的熱釋電型光電探測(cè)器，及其器件性能表征；（b）基于1T-TaS?的熱相變光電探測(cè)器，及其器件性能表征；（c）P（VDF-TrFE）與MoS?的混合準(zhǔn)懸空結(jié)構(gòu)PD，及其器件性能表征；（c）基于CH?NH?PbI?薄膜的UV-THz 雙機(jī)制光電探測(cè)器，及其器件性能表征。

非常規(guī)類(lèi)型的超寬帶光電探測(cè)器發(fā)展主要分為兩條技術(shù)路線，一是借鑒其他領(lǐng)域光電材料特殊的物理機(jī)制實(shí)現(xiàn)超寬帶光電響應(yīng)，這類(lèi)器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但受限于材料性質(zhì)，在不同波段可能表現(xiàn)出截然相反的性能；二是構(gòu)建具有特殊復(fù)合結(jié)構(gòu)的器件，此類(lèi)器件能夠突破單一器件的響應(yīng)機(jī)理限制，通過(guò)多響應(yīng)機(jī)理協(xié)同的方式實(shí)現(xiàn)超寬帶光電探測(cè)，但是這一類(lèi)器件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制備的難度較大。未來(lái)，根據(jù)超寬帶光電探測(cè)器的性能要求，尋找新的光電響應(yīng)材料、探索新的光電響應(yīng)機(jī)理，并結(jié)合不同的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將成為非常規(guī)類(lèi)型的超寬帶光電探測(cè)器發(fā)展的主要方向。

總結(jié)

本文總結(jié)最近十年，尤其是近五年以來(lái)常規(guī)和非常規(guī)UB-PD的發(fā)展過(guò)程，從上文可以發(fā)現(xiàn)，不同類(lèi)型器件之間的優(yōu)缺點(diǎn)差異明顯，而這些優(yōu)缺點(diǎn)與器件的光電響應(yīng)原理緊密關(guān)聯(lián)。表1匯總了近五年各種類(lèi)型器件的典型代表的光電響應(yīng)性能參數(shù)。

表1 近十年具有優(yōu)異性能的超寬帶光電探測(cè)器匯總

因?yàn)楣庾有推骷捻憫?yīng)機(jī)制以載流子受激激發(fā)為根本，雖然響應(yīng)度和比探測(cè)率普遍較高，但是光譜響應(yīng)范圍受限于材料的帶隙，一般難以突破中波紅外波段，但是現(xiàn)在發(fā)展迅速的二維異質(zhì)結(jié)和人工超表面為光子型器件的超寬帶光電響應(yīng)提供了新的策略；而熱效應(yīng)器件的響應(yīng)機(jī)制以吸收光子能量之后的非輻射熱弛豫為根本，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)牟牧峡梢詫?shí)現(xiàn)寬譜甚至全光波段的有效光吸收，因此光譜響應(yīng)范圍最寬，普遍能實(shí)現(xiàn)紫外或者可見(jiàn)光至太赫茲波段的超寬帶光電響應(yīng)。

如果將UB-PD的響應(yīng)性能與現(xiàn)有成熟窄帶探測(cè)器進(jìn)行比較，UB-PD在特定波段的整體光電響應(yīng)性能較差，導(dǎo)致UB-PD雖然能實(shí)現(xiàn)超寬帶光響應(yīng)，但是在特定波段的響應(yīng)性能又達(dá)不到具體要求，這嚴(yán)重限制了UB-PD 的應(yīng)用范圍。如，PCE、PVE和PGE型的器件難以兼顧紫外/可見(jiàn)光/近紅外波段的響應(yīng)和中遠(yuǎn)紅外波段的響應(yīng)；而B(niǎo)E和PTE型的器件在紫外、可見(jiàn)光和近紅外難以實(shí)現(xiàn)與光子器件比擬的響應(yīng)性能。因此，根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求，針對(duì)特定類(lèi)型UB-PD的特定波段的光響應(yīng)進(jìn)行選擇性增強(qiáng)，以彌補(bǔ)其整體響應(yīng)性能的不足將是未來(lái)UB-PD發(fā)展的重要方向。

具體而言，除了調(diào)控現(xiàn)有光敏材料的性質(zhì)或者設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)之外，還可以在器件三維空間上設(shè)計(jì)特殊的復(fù)合結(jié)構(gòu)或者復(fù)合材料，增強(qiáng)常規(guī)器件在特定波段的吸收。例如，對(duì)于PCE和PVE型的器件，設(shè)計(jì)自下而上的結(jié)構(gòu)，上層材料吸收短波長(zhǎng)光子，而長(zhǎng)波長(zhǎng)光子通過(guò)之后可以被下層材料吸收，從而增強(qiáng)器件在長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍的光響應(yīng)；對(duì)于BE和PTE型的器件，因其制備過(guò)程適用于特殊隔熱結(jié)構(gòu)，結(jié)合超表面的基底設(shè)計(jì)思路，不僅可以起到隔熱作用還可以利用超表面強(qiáng)烈的光增強(qiáng)效應(yīng)提高器件的光吸收，從而選擇性地提升器件在特定波段的響應(yīng)性能。

另外，UB-PD作為一種特殊的光電器件，發(fā)掘其適用的應(yīng)用場(chǎng)景也十分重要?，F(xiàn)有一些整體性能較好的UB-PD，或者在某些特定波段性能優(yōu)異的UB-PD已經(jīng)可以滿足某些不需要快速響應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景需求，尤其是對(duì)于非動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的寬光譜探測(cè)需求，但是相關(guān)的研究還處于性能驗(yàn)證的初始階段，距離應(yīng)用還有較大的難度。因此進(jìn)一步探索UB-PD的應(yīng)用場(chǎng)景，使其真正發(fā)揮作用，對(duì)于推動(dòng)UB-PD 的發(fā)展具有重要的意義。

審核編輯：劉清