|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(cè)器作為現(xiàn)代光電技術(shù)的重要組成部分，在工業(yè)檢測(cè)、航天遙感和國(guó)防軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。紅外探測(cè)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(duì)中紅外光電探測(cè)器的發(fā)展歷史、當(dāng)前應(yīng)用的主要類(lèi)型、未來(lái)發(fā)展方向等方面內(nèi)容進(jìn)行討論，著重介紹基于拓?fù)洳牧?、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(cè)器的研究探索，以及利用超表面等結(jié)構(gòu)增強(qiáng)探測(cè)器性能并開(kāi)發(fā)新的光參量探測(cè)器方面的進(jìn)展，最后探討人工智能技術(shù)的應(yīng)用為紅外探測(cè)器的智能化發(fā)展提供的新機(jī)遇。中紅外光電探測(cè)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(lái)新的變革，未來(lái)將滿足各領(lǐng)域?qū)Ω咝阅?、低功耗、小型化紅外探測(cè)器的需求。

關(guān)鍵詞紅外探測(cè)器，拓?fù)洳牧?，二維材料，超表面結(jié)構(gòu)

1 引 言

光電探測(cè)器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的關(guān)鍵核心器件，在通信、成像、傳感與測(cè)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(cè)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(zhǎng)波紅外)這兩個(gè)低光吸收率“大氣窗口”，因此在工業(yè)檢測(cè)、安防監(jiān)控、航天遙感、國(guó)防軍事等方面具有尤為重要的作用。本文將對(duì)中紅外探測(cè)器的發(fā)展歷史、當(dāng)前主要類(lèi)型以及未來(lái)發(fā)展方向等方面進(jìn)行介紹。

2 紅外探測(cè)器的發(fā)展歷史

早期的紅外探測(cè)器主要是基于熱效應(yīng)的熱電偶、熱電堆、測(cè)輻射熱計(jì)(bolometer)等熱探測(cè)器。二戰(zhàn)期間，德國(guó)及美國(guó)發(fā)明了基于硫化鉛中光電導(dǎo)效應(yīng)的光子型探測(cè)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(cè)器的核心材料[1]，通過(guò)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(zhǎng)波(VLWIR)的整個(gè)紅外波段，尤其是能夠完美匹配3—5 μm和8—14 μm這兩個(gè)大氣窗口，這為紅外探測(cè)提供了合適的材料平臺(tái)。在這以后，中紅外探測(cè)器主要經(jīng)歷了四代的發(fā)展(圖1)[2]。第一代紅外探測(cè)器主要基于單元探測(cè)器或者線列探測(cè)器并通過(guò)機(jī)械掃描成像，第二代紅外探測(cè)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(wàn)個(gè)探測(cè)器像素(光敏元)收集到的光電信號(hào)可以進(jìn)行放大、積分和多路傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了探測(cè)芯片與硅基讀出電路(ROIC)的互連。利用大規(guī)模探測(cè)器面陣，可以無(wú)需機(jī)械掃描就實(shí)現(xiàn)整個(gè)面陣直接“凝視”目標(biāo)場(chǎng)景的積分曝光，大大提高了探測(cè)器的靈敏度和幀頻。第三代探測(cè)器在上一代的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了高像素、大面陣和多色探測(cè)。當(dāng)前正在發(fā)展的第四代探測(cè)器，正在向著更高性能大面陣探測(cè)器、多色/多波段探測(cè)、非制冷工作、智能化等方向發(fā)展。

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

3 當(dāng)前紅外探測(cè)器的主要類(lèi)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(cè)器分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩個(gè)主要大類(lèi)。熱探測(cè)器主要包括測(cè)輻射熱電偶和熱電堆、測(cè)輻射熱計(jì)、熱釋電探測(cè)器、熱相變探測(cè)器等，其主要工作原理是測(cè)量由光吸收引起溫度變化而導(dǎo)致的探測(cè)器電阻變化、熱電電壓、相變等。光子探測(cè)器可分為光電導(dǎo)探測(cè)器和光伏探測(cè)器，主要是測(cè)量由于光電效應(yīng)導(dǎo)致的電子由價(jià)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(cè)器大部分是光子型探測(cè)器，主要包括以下幾種。

(1)碲鎘汞探測(cè)器

HgCdTe是當(dāng)前高性能紅外探測(cè)器最常用的材料[3]，其最大優(yōu)勢(shì)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(guò)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(duì)應(yīng)可見(jiàn)光探測(cè))，從而使得帶隙完美匹配待探測(cè)的波長(zhǎng)。另外，因?yàn)镠gCdTe紅外探測(cè)器是基于本征吸收，對(duì)紅外光子的吸收率非常高(圖2(a))，這意味著探測(cè)器具有高量子效率和探測(cè)靈敏度。另外，相對(duì)于其他長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)過(guò)程中容易產(chǎn)生缺陷，且不同Hg、Cd的成分比例對(duì)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(cè)器的能帶示意圖和光吸收過(guò)程[2] (a)HgCdTe半導(dǎo)體材料探測(cè)器的能帶示意圖；(b)GaAs/AlGaAs量子阱探測(cè)器的能帶示意圖；(c)InAs/GaSbⅡ型超晶格探測(cè)器的能帶示意圖

(2)InSb探測(cè)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(duì)應(yīng)的紅外截止波長(zhǎng)

E ≈5.4 μm，恰好覆蓋了整個(gè)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(zhǎng)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(cè)器廣泛應(yīng)用于軍事、航天和工業(yè)測(cè)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(cè)，無(wú)法像HgCdTe那樣通過(guò)調(diào)節(jié)組分來(lái)覆蓋長(zhǎng)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(cè)器

量子阱探測(cè)器基于GaAs/AlGaAs等半導(dǎo)體材料體系，通過(guò)能帶工程設(shè)計(jì)量子阱來(lái)吸收特定波長(zhǎng)的紅外光。量子阱探測(cè)器中的光吸收主要基于量子阱中的子帶躍遷，其探測(cè)波長(zhǎng)可以通過(guò)量子阱的厚度以及勢(shì)壘/阱材料的成分進(jìn)行設(shè)計(jì)(圖2(b))。通過(guò)先進(jìn)的材料生長(zhǎng)技術(shù)(如分子束外延或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積)，量子阱探測(cè)器具有較高的探測(cè)靈敏度和較低的本征噪聲；量子阱內(nèi)的電子躍遷過(guò)程非?？?，使其適合高速探測(cè)應(yīng)用；另外，量子阱探測(cè)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(cè)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(cè)器相比存在劣勢(shì)。

(4)II型超晶格探測(cè)器

II型超晶格(T2SL)探測(cè)器由InAs/Ga(In)Sb等材料交替生長(zhǎng)構(gòu)成超晶格，其探測(cè)波長(zhǎng)由超晶格層厚決定。該類(lèi)探測(cè)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(jí)不同，超晶格中由于勢(shì)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(jià)帶內(nèi)形成空穴微帶。紅外輻射信號(hào)的探測(cè)，是通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)的(圖2(c))。Ⅱ型超晶格具有類(lèi)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(diǎn)，并且材料外延及器件工藝相對(duì)穩(wěn)定，因而成為紅外探測(cè)器應(yīng)用的一類(lèi)主要材料體系。

(5)阻擋雜質(zhì)帶探測(cè)器

阻擋雜質(zhì)帶探測(cè)器(blocked impurity band, BIB)中的光吸收利用的是雜質(zhì)能級(jí)上的電子躍遷，因而可以探測(cè)光子能量遠(yuǎn)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(cè)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(cè)器的暗電流通常比IBC探測(cè)器小，非常有利于探測(cè)微弱輻射信號(hào)(圖3(a))。BIB探測(cè)器探測(cè)波長(zhǎng)比較寬(可以覆蓋5—300 μm波段)、探測(cè)率高、抗輻射性好，廣泛應(yīng)用于各種大型天文基長(zhǎng)波紅外探測(cè)平臺(tái)。

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

(6)量子點(diǎn)探測(cè)器

量子點(diǎn)紅外探測(cè)器是一種利用半導(dǎo)體量子點(diǎn)作為光敏材料的新型紅外探測(cè)技術(shù)。通過(guò)改變量子點(diǎn)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(zhǎng)波甚至太赫茲等多個(gè)紅外大氣窗口。量子點(diǎn)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(shí)現(xiàn)較高的探測(cè)靈敏度(圖3(b))。量子點(diǎn)材料(如膠體量子點(diǎn))可通過(guò)溶液法合成，并旋涂或印刷在硅讀出電路上，易于實(shí)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(fèi)電子、柔性器件、工業(yè)檢測(cè)等方面。但是，當(dāng)前量子點(diǎn)探測(cè)器的暗電流噪聲較大，比探測(cè)率與HgCdTe探測(cè)器相比尚有差距。

(7)VO2等熱探測(cè)器

當(dāng)前中紅外波段的光子型探測(cè)器為了降低熱激發(fā)產(chǎn)生的暗電流，工作時(shí)需要低溫條件，一般需要使用各種類(lèi)型的制冷裝置。當(dāng)前非制冷的紅外探測(cè)器主要基于熱探測(cè)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(wú)需深度制冷，成本低、體積小，但靈敏度和響應(yīng)速度遠(yuǎn)低于制冷型的光子探測(cè)器(如HgCdTe和InSb)，主要應(yīng)用于民用和低端軍事領(lǐng)域。

4 探測(cè)器的性能及主要發(fā)展方向

衡量光電探測(cè)器的主要性能指標(biāo)包括響應(yīng)度、噪聲等效功率、比探測(cè)率、響應(yīng)速度等，各指標(biāo)的具體含義如表1所示。在探測(cè)器應(yīng)用過(guò)程中，一般需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景，例如探測(cè)目標(biāo)的光譜特性及動(dòng)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(cè)器類(lèi)型。唐納德·里高等人于1999年提出SWaP3 (Size, Weight, Power, Performance and Price)概念來(lái)綜合衡量紅外探測(cè)器的性能，即需要探測(cè)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(chǎng)及民用市場(chǎng)對(duì)紅外探測(cè)的需求，例如在電力與工業(yè)巡檢、自動(dòng)化生產(chǎn)檢測(cè)等方面的工業(yè)應(yīng)用以及醫(yī)療健康檢測(cè)等方面的消費(fèi)電子應(yīng)用?；诖耍?dāng)前紅外探測(cè)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(cè)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(cè)器。但是，對(duì)于傳統(tǒng)半導(dǎo)體及超晶格材料的光子型探測(cè)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(yán)重，而當(dāng)前主流中長(zhǎng)波紅外成像技術(shù)仍嚴(yán)重依賴(lài)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(kāi)發(fā)可實(shí)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(cè)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(cè)器，是當(dāng)前紅外探測(cè)器發(fā)展的一個(gè)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(jì)，增強(qiáng)探測(cè)器的探測(cè)性能，并為探測(cè)器提供除光強(qiáng)以外新的光參量感知能力，是紅外探測(cè)器發(fā)展的另一個(gè)重要研究方向。另外，人工智能技術(shù)的興起，為紅外探測(cè)器的智能化提供了新的機(jī)遇，后端信號(hào)處理的感存算融合一體化正在引導(dǎo)探測(cè)器向智能化發(fā)展。下面將對(duì)當(dāng)前基于新型材料體系，包括拓?fù)洳牧霞岸S材料體系，利用超表面器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增強(qiáng)探測(cè)器性能，以及基于新型器件結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)智能探測(cè)器的相關(guān)工作進(jìn)行介紹。

表1　光電探測(cè)器核心性能指標(biāo)定義與計(jì)算公式

4.1　基于拓?fù)洳牧系男滦图t外探測(cè)器

在衡量光電探測(cè)器的性能指標(biāo)中，最核心的指標(biāo)是比探測(cè)率，它反映了探測(cè)器在單位輻射功率下的信號(hào)檢測(cè)能力。比探測(cè)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(jìng)爭(zhēng)。在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體紅外探測(cè)器中，比探測(cè)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(fù)相關(guān)[4]。由于傳統(tǒng)紅外探測(cè)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(lái)抑制熱載流子產(chǎn)生率以提升器件的比探測(cè)率。

拓?fù)洳牧系某霈F(xiàn)為突破傳統(tǒng)紅外探測(cè)器性能限制提供了新的材料平臺(tái)。拓?fù)洳牧暇哂歇?dú)特的能帶結(jié)構(gòu)和拓?fù)湮飸B(tài)，在光電探測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出特殊優(yōu)勢(shì)。一方面，拓?fù)洳牧系哪軒ЫY(jié)構(gòu)使其具有比傳統(tǒng)紅外探測(cè)材料更高的光吸收系數(shù)；另一方面，部分拓?fù)洳牧夏軒Ь哂械淖孕齽?dòng)量鎖定等特性，可以在特定條件下通過(guò)光激發(fā)直接注入定向光電流。在傳統(tǒng)半導(dǎo)體探測(cè)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(chǎng)等)，因而與比探測(cè)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?fù)洳牧现校囟ü饧ぐl(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(dòng)特性，從而提升器件的比探測(cè)率。另外，基于拓?fù)洳牧系募t外探測(cè)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?fù)洳牧咸嵘怆娞綔y(cè)性能的物理機(jī)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(dòng)量鎖定特性使得圓偏振光只能激發(fā)具有一個(gè)運(yùn)動(dòng)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(guò)程的泡利躍遷禁戒作用，并不嚴(yán)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?fù)浣^緣體Pb 0.7 Sn0.3Se與傳統(tǒng)紅外探測(cè)材料HgCdTe的光吸收系數(shù)對(duì)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(cè)材料HgCdTe的10倍以上

當(dāng)前，各國(guó)已在基于拓?fù)洳牧系母咝阅芗t外探測(cè)器開(kāi)發(fā)方面投入了大量人力物力并取得了較大的進(jìn)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?fù)湫再|(zhì)有關(guān)，因而基于拓?fù)洳牧嫌型麑?shí)現(xiàn)高性能光電器件[7]；美國(guó)麻省理工學(xué)院的Patrick Lee指出在拓?fù)洳牧贤鉅柊虢饘僦?，利用由費(fèi)米能級(jí)位置引起的泡利躍遷禁戒以及晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性約束的共同作用，有望實(shí)現(xiàn)室溫?zé)o偏壓的中遠(yuǎn)紅外光探測(cè)(圖4(a))[5]；美國(guó)麻省理工學(xué)院李巨團(tuán)隊(duì)預(yù)言，拓?fù)浣^緣體中由于存在墨西哥帽型能帶結(jié)構(gòu)，其帶邊對(duì)應(yīng)波段的光學(xué)響應(yīng)比傳統(tǒng)材料高1—2個(gè)量級(jí)[8]，其中拓?fù)浒雽?dǎo)體Pb0.7Sn0.3Se在長(zhǎng)波紅外波段比傳統(tǒng)紅外探測(cè)材料Hg0.21Cd0.79Te的光響應(yīng)強(qiáng)10倍以上(圖4(b))[6]。實(shí)驗(yàn)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(guó)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(kāi)發(fā)了紅外光電探測(cè)原型器件(圖5)[9—11]；其中，在外爾半金屬中觀察到了拓?fù)湫?yīng)貢獻(xiàn)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(lèi)外爾半金屬WTe2中，觀測(cè)到由于邊界對(duì)稱(chēng)性破缺導(dǎo)致的反常光電流響應(yīng)，揭示了晶體對(duì)稱(chēng)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)20—50倍[13]，展示了拓?fù)洳牧显诠怆娖骷矫娴臐撛趹?yīng)用前景；此外，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王林團(tuán)隊(duì)，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(cè)器[14]。綜上可知，拓?fù)洳牧嫌型岣咧虚L(zhǎng)波紅外光電探測(cè)的響應(yīng)性能，實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)波紅外的高性能非制冷探測(cè)。

圖5　基于拓?fù)洳牧霞t外光電探測(cè)的研究進(jìn)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(duì)比。由于拓?fù)湫?yīng)，TaAs的體光伏效應(yīng)系數(shù)遠(yuǎn)強(qiáng)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(qiáng)度與激發(fā)光強(qiáng)度的依賴(lài)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?fù)湫?yīng)的存在，TaIrTe 4 在外爾點(diǎn)附近的三階光響應(yīng)系數(shù)很高，中紅外波段無(wú)偏置條件下的光響應(yīng)度高達(dá)130.2 mA?W-1

雖然拓?fù)洳牧险故境鲚^好的紅外探測(cè)應(yīng)用潛力，但當(dāng)前實(shí)驗(yàn)獲得的響應(yīng)參數(shù)較理論預(yù)言存在較大差距，仍需對(duì)拓?fù)洳牧现泄馍d流子的弛豫、輸運(yùn)行為等光電響應(yīng)相關(guān)過(guò)程進(jìn)行表征及調(diào)控優(yōu)化。需要特別注意的是，拓?fù)洳牧现斜砻鎽B(tài)的存在會(huì)嚴(yán)重降低載流子的壽命[15]，從而影響比探測(cè)率等核心參數(shù)。此外，盡管目前已有基于拓?fù)洳牧系母哽`敏度光電探測(cè)器，但大多數(shù)僅限于單像素探測(cè)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(kāi)發(fā)基于拓?fù)洳牧详嚵械某上衿骷Ｈ欢?，拓?fù)洳牧洗竺娣e均勻制造工藝尚不成熟，開(kāi)發(fā)拓?fù)洳牧仙L(zhǎng)技術(shù)，特別是兼容硅基工藝的拓?fù)洳牧仙L(zhǎng)技術(shù)，無(wú)疑是構(gòu)建高集成度、大規(guī)模中長(zhǎng)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(cè)器

二維材料由于具有量子限域效應(yīng)帶來(lái)高光吸收系數(shù)、有利于異質(zhì)結(jié)集成的原子級(jí)平整界面等優(yōu)異特性，近年來(lái)在光電探測(cè)領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。在中紅外光探測(cè)方向，由于需要較窄帶隙，探測(cè)材料主要基于無(wú)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(cè)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(cè)器[16]，并于次年將石墨烯探測(cè)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(tuán)隊(duì)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(cè)器的響應(yīng)度提高了3個(gè)量級(jí)[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(shí)現(xiàn)了室溫的中紅外及太赫茲波段的光探測(cè)[19，20]。

在基于二維半導(dǎo)體材料的紅外探測(cè)方面，耶魯大學(xué)夏豐年團(tuán)隊(duì)、南京大學(xué)繆峰團(tuán)隊(duì)、南洋理工大學(xué)的王岐捷團(tuán)隊(duì)、新加坡國(guó)立大學(xué)的Andrew Wee團(tuán)隊(duì)分別基于黑磷、黑砷磷、PtSe2、PdSe2實(shí)現(xiàn)了中紅外波段的光電探測(cè)[21—24]?；谏鲜霾牧系漠愘|(zhì)結(jié)，研究人員進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了具有更高性能的紅外探測(cè)器，2018年，加州大學(xué)伯克利分校AliJavey團(tuán)隊(duì)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(cè)器[25]；2019年，南京大學(xué)王肖沐團(tuán)隊(duì)在InSe/BP垂直異質(zhì)結(jié)中[26]，首次提出并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了“彈道雪崩”這一新型PN結(jié)擊穿機(jī)制，通過(guò)在超薄溝道的二維材料異質(zhì)結(jié)中實(shí)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(wèn)題，基于此機(jī)制制備的中紅外探測(cè)器展現(xiàn)出實(shí)現(xiàn)單光子級(jí)別靈敏探測(cè)的巨大潛力(圖6(b))[26]。2021年，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所胡偉達(dá)團(tuán)隊(duì)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(shì)壘結(jié)構(gòu)阻擋導(dǎo)致噪聲的暗電流，同時(shí)不影響光電流的傳輸，從而顯著提升了探測(cè)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(tuán)隊(duì)基于BP/MoS2/黑砷磷異質(zhì)結(jié)，實(shí)現(xiàn)了室溫下高探測(cè)率的中波紅外探測(cè)器[28，29]；中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的李紹娟團(tuán)隊(duì)基于MoSe2/PdSe2異質(zhì)結(jié)，實(shí)現(xiàn)了非制冷近紅外至長(zhǎng)波紅外波段的偏振敏感探測(cè)器[30]；東南大學(xué)倪振華團(tuán)隊(duì)基于石墨烯/BP/MoS2/石墨烯異質(zhì)結(jié)[31]，實(shí)現(xiàn)了探測(cè)性能可比擬商用HgCdTe探測(cè)器的CMOS兼容的中紅外探測(cè)器。上述工作展示了二維材料及其異質(zhì)結(jié)是開(kāi)發(fā)新型中紅外探測(cè)材料體系的一個(gè)重要方向。

圖6　基于二維材料的紅外光電探測(cè)進(jìn)展[16，17，26，27] (a)石墨烯光探測(cè)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(cè)具有很高的響應(yīng)速度。上圖展示了石墨烯光探測(cè)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(cè)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(wú)光和4 μm激光照射下器件的

V

曲線，藍(lán)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(cè)器暗電流噪聲的原理示意。上圖為范德瓦耳斯單極勢(shì)壘結(jié)構(gòu)能帶示意圖，通過(guò)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(lán)色小球代表導(dǎo)帶中的電子，紅色小球代表價(jià)帶中的空穴，箭頭方向代表電子/空穴的運(yùn)動(dòng)方向，由于造成暗電流的石墨烯空穴被空穴勢(shì)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(cè)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(guò)程中引入的材料界面缺陷等問(wèn)題，當(dāng)前對(duì)基于二維材料的新型紅外探測(cè)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(duì)各類(lèi)新型材料的探測(cè)器性能的準(zhǔn)確、可靠的評(píng)估與表征[32—35]。

4.3　利用超材料提升紅外探測(cè)器的響應(yīng)性能

利用超材料、超表面等亞波長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)手段提升紅外探測(cè)器的響應(yīng)性能是紅外探測(cè)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(jìn)而增強(qiáng)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(chǎng)特性及光場(chǎng)與探測(cè)器件的耦合特性，進(jìn)而提高探測(cè)器對(duì)于偏振、相位、波長(zhǎng)、入射角度、軌道角動(dòng)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(qiáng)局域光場(chǎng)強(qiáng)度，從而增加光吸收。利用這一點(diǎn)，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(wèn)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(cè)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(qiáng)石墨烯光探測(cè)器的吸收能力，使4.45 μm波長(zhǎng)的光響應(yīng)度增強(qiáng)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(cè)器的響應(yīng)度在寬波段范圍內(nèi)增強(qiáng)了一個(gè)量級(jí)[39]。另外，通過(guò)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(cè)器的響應(yīng)度增強(qiáng)了6倍[40]，耶魯大學(xué)的夏豐年組實(shí)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(qiáng)了黑磷材料以及黑磷—二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的光吸收，與無(wú)光柵結(jié)構(gòu)的器件相比，響應(yīng)度和比探測(cè)率增強(qiáng)了一個(gè)量級(jí)[42，43]。

圖7　利用超表面增強(qiáng)光電探測(cè)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(cè)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(yùn)機(jī)制，其中TCE代表熱載流子激發(fā)，NNH代表近鄰躍遷，黑色實(shí)線代表勢(shì)能高度，兩個(gè)石墨烯等離激元諧振結(jié)構(gòu)間的石墨烯納米帶中勢(shì)能無(wú)序較高。在無(wú)等離激元激發(fā)時(shí)，電子溫度較低，電子輸運(yùn)主要是效率較低的近鄰躍遷，在有等離激元激發(fā)時(shí)，電子溫度高，電子輸運(yùn)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(cè)器，通過(guò)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(duì)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(shí)現(xiàn)偏振探測(cè)；(c)基于超表面的中紅外偏振探測(cè)器利用非中心對(duì)稱(chēng)的亞波長(zhǎng)金屬納米天線結(jié)構(gòu)破缺石墨烯的中心對(duì)稱(chēng)性，從而產(chǎn)生類(lèi)似體光伏效應(yīng)的響應(yīng)，實(shí)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(cè)器，通過(guò)在石墨烯環(huán)帶上設(shè)計(jì)具有鏡面對(duì)稱(chēng)的等離激元納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了器件響應(yīng)與光偏振態(tài)的對(duì)應(yīng)

超表面等微結(jié)構(gòu)除了可以用來(lái)提升材料的光吸收能力，更重要的一點(diǎn)是可以通過(guò)微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，賦予超表面光探測(cè)器對(duì)于偏振、相位、波長(zhǎng)、入射角度、軌道角動(dòng)量等多維光學(xué)信息的感知能力。通過(guò)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(duì)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(cè)器具有偏振響應(yīng)能力(圖7(b)，(c))。通過(guò)集成不同形狀和方向的超表面微結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光偏振態(tài)的全斯托克斯參量探測(cè)(圖7(d))[46]。通過(guò)設(shè)計(jì)超表面的共振波長(zhǎng)和入射角度偏好，新型光探測(cè)器也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射波長(zhǎng)和入射角度的感知[49，50]。通過(guò)選擇具有特定對(duì)稱(chēng)性的光敏材料并設(shè)計(jì)特殊形狀的電極，新型光探測(cè)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)軌道角動(dòng)量的探測(cè)[51，52]。這些結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了探測(cè)器對(duì)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(cè)器之間的阻抗失配，會(huì)造成能量損失，可能會(huì)降低器件整體效率；另一方面，超表面的性能提升往往依賴(lài)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(cè)器的性能時(shí)，需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)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(cè)器的智能化提供了新的機(jī)遇。隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，對(duì)紅外信息的探測(cè)和智能感知的需求日益增長(zhǎng)。其中一個(gè)重要發(fā)展方向是將紅外光電探測(cè)器、存儲(chǔ)單元和計(jì)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(cè)器的多光參量感知能力的發(fā)展，使得探測(cè)器端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)巨大增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的探測(cè)模式下海 量數(shù)據(jù)需經(jīng)過(guò)傳輸、存儲(chǔ)等過(guò)程，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算單元的計(jì)算才能獲得所需信息，這會(huì)消耗大量的資源并產(chǎn)生信息延遲。受到動(dòng)物視覺(jué)過(guò)程的啟發(fā)，智能探測(cè)器通過(guò)在探測(cè)器內(nèi)部或者探測(cè)器附近先進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)計(jì)算處理任務(wù)，再輸出處理后的關(guān)鍵信息，進(jìn)行下一步信息處理，這樣充分減少了傳輸、存儲(chǔ)、計(jì)算過(guò)程中的大量冗余數(shù)據(jù)(圖8)。通過(guò)對(duì)探測(cè)器性能的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)控，研究人員實(shí)現(xiàn)了探測(cè)器內(nèi)部計(jì)算、計(jì)算光譜重建等功能[54—56]，可以直接利用探測(cè)器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的圖像處理任務(wù)[57]；通過(guò)引入歷史依賴(lài)的光響應(yīng)，可以使探測(cè)器具有記憶功能；通過(guò)構(gòu)建光電憶阻器陣列作為圖像感知元件，可以在探測(cè)器陣列間實(shí)現(xiàn)類(lèi)似神經(jīng)突觸連接的功能，從而在探測(cè)器端模擬視覺(jué)功能，直接在探測(cè)器中實(shí)現(xiàn)初級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，使得智能探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似人眼的圖形識(shí)別等功能[58，59]。這些智能化發(fā)展，一方面提升了探測(cè)器的探測(cè)性能，另一方面也為探測(cè)器提供了新的功能。

圖8　傳統(tǒng)探測(cè)器信息處理方式與智能化探測(cè)器信息處理方式對(duì)比。傳統(tǒng)信息處理方式是將探測(cè)器采集的所有信息傳輸?shù)接?jì)算單元進(jìn)行處理，信息傳輸量巨大；智能化探測(cè)器在探測(cè)器內(nèi)部將探測(cè)數(shù)據(jù)中與目標(biāo)應(yīng)用相關(guān)的關(guān)鍵信息進(jìn)行提取后，再進(jìn)行傳輸，信息傳輸量較小

5 總 結(jié)

本文回顧了中紅外探測(cè)器發(fā)展的歷史、當(dāng)前應(yīng)用的主要探測(cè)器類(lèi)型、探討了中紅外探測(cè)器未來(lái)的發(fā)展方向。雖然當(dāng)前許多新型探測(cè)器還存在材料與器件性能長(zhǎng)期穩(wěn)定性不足、規(guī)?；圃炫c器件一致性難題有待克服、器件性能評(píng)估及標(biāo)準(zhǔn)化缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、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(cè)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(dòng)建立的標(biāo)準(zhǔn)化的性能表征與報(bào)告指南，將有助于通過(guò)“產(chǎn)學(xué)研用”深度合作，針對(duì)性突破關(guān)鍵材料、工藝和集成技術(shù)，為新型中紅外探測(cè)器這一領(lǐng)域帶來(lái)新的變革，滿足各領(lǐng)域?qū)Ω咝阅堋⒌凸?、小型化紅外探測(cè)器的需求。

致 謝感謝北京理工大學(xué)物理學(xué)院周耀強(qiáng)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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