低維寬禁帶半導體紫外光探測器

近日，復旦大學光電研究院青年副研究員李自清在國際學術期刊Nature Reviews Materials上發(fā)表題為“Low-dimensional wide-bandgap semiconductors for UV photodetectors”的綜述論文。光電研究院青年教師李自清和材料科學系博士研究生嚴婷婷是論文共同第一作者，光電研究院、材料科學系方曉生教授是通訊作者。

精確的紫外光檢測是現(xiàn)代光電技術的重要組成部分，現(xiàn)階段的紫外光探測器主要基于寬禁帶半導體，例如，III-V半導體。然而，傳統(tǒng)的寬禁帶半導體在實際應用中達到了瓶頸，難以兼顧高集成度和高柔性。有鑒于此，低維寬禁帶半導體由于具有合適的紫外光吸收范圍、可調節(jié)的光電性能以及良好的襯底兼容性等優(yōu)勢，在多種紫外光工作場景中展現(xiàn)出巨大的應用潛力。

基于低維寬禁帶半導體的紫外光探測器在成像、通訊、多光譜探測、弱光探測、可穿戴電子等領域表現(xiàn)出廣闊的應用前景。本論文聚焦于低維寬禁帶半導體光電探測器領域的進展、挑戰(zhàn)和展望，討論了寬禁帶半導體如何在材料設計、維度工程、器件工程等方面調控形貌結構和光電性能，并闡釋了材料生長、器件結構和應用場景的內在聯(lián)系。

低維紫外光探測器的應用和市場前景

隨著傳感技術的普及，紫外光探測器的市場覆蓋了多種消費電子和工業(yè)應用領域（如下圖a），包括自動駕駛、制藥、生物診斷、環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)監(jiān)控等。其中，消費電子（智能手機、平板、手表、筆記本等）在制造過程中依賴紫外光消毒，因而對紫外光探測器的需求巨大。同時，紫外消毒產業(yè)在生物醫(yī)藥領域的需求日益凸顯，特別是新冠疫情期間，需要紫外光探測器來檢測環(huán)境的紫外光水平。另外，在包裝工業(yè)、發(fā)酵工業(yè)、日常生活中，紫外光探測器都有重要的應用。如下圖b所示，通過不斷減小尺寸，體塊的寬禁帶半導體可以發(fā)展為低維納米材料（二維材料、一維納米線和零維量子點），從而展現(xiàn)出機械柔性和獨特的電子結構。

這些低維的納米材料可以進一步組裝成大面積有序的體材料，包括晶圓級薄膜、納米線陣列和量子點超晶格。最終，設計和優(yōu)化出高性能的紫外光探測器，制造出可穿戴的、智能的和多功能集成的光芯片，以滿足不斷增長的紫外光芯片需求。

低維寬禁帶半導體的材料設計、維度工程和功能化應用

論文首先介紹了如何將低維寬禁帶半導體組裝成有序的體材料，針對二維、一維、零維的納米材料，總結了晶圓級單晶薄膜、柔性單晶薄膜、大面積納米線陣列、量子點超晶格等大面積材料的可靠制備方法，并闡釋了自對準外延、金屬單晶襯底外延、遠程外延、模版輔助外延等生長方法的基本原理和準則。其中，遠程外延在制備大面積、自支撐的寬禁帶半導體上已經有了成功的實踐，而組裝寬禁帶半導體的零維超晶格仍需要開展大量的研究工作。

隨后，明確指出目前的紫外光探測材料在UVC（200-280 nm）波段的靈敏度落后于UVB（280-320 nm）和UVA（320-400 nm）波段，同時，零維寬禁帶半導體的響應速度滯后，依然限制在毫秒的階段。針對上述問題，深入討論了低維寬禁帶半導體的維度調控及其對光電性能的影響，包括二維材料的層數(shù)依賴光學特性、一維納米線/零維量子點的紫外光吸收增強、軸向/徑向納米線異質結構的自驅動性能以及組分工程調控光帶隙等。這些策略為優(yōu)化低維寬禁帶半導體的紫外光探測性能指明了方向。

在材料設計和維度工程的基礎上，通過設計電荷注入結構、納米線異質結、p-n異質結等器件結構，實現(xiàn)感存算一體、雙極性響應、負響應等新原理的紫外光探測器，有望應用于高集成度的圖像傳感器、可重構的神經網絡視覺傳感器和用于加密的光編碼器等領域。并進一步梳理了紫外光探測器在柔性電子、紫外成像、弱光探測和多光譜探測等領域的重要應用。

最后，針對紫外光探測器廣闊的應用市場，探討了基于新材料、新結構、新原理的低維寬禁帶紫外光探測器的未來研究展望，諸如設計出超寬帶隙的低維寬禁帶半導體、組裝成柔性紫外光探測系統(tǒng)以及構建出片上的紫外光互聯(lián)系統(tǒng)等。

審核編輯：劉清