综述：从红外到太赫兹的宽带光电探测器最新研究进展
2025-12-06 15:20:33 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文概述了从红外到太赫兹波段的宽带光电探测器的最新研究进展，系统介绍了其分类、工作原理和性能特性，探讨了宽带探测技术面临的关键挑战，总结了扩展光电探测器光谱响应范围的多种策略，并展望了该领域的未来研究方向。
随着单一场景下多波段光电探测需求的持续增长，多光谱耦合技术与宽带探测技术迎来协同发展的新阶段。工作在红外（IR）至太赫兹（THz）波段的宽带光电探测器，凭借其宽光谱响应特性，在光通信、光传感/光成像、材料识别及生物医学检测等领域展现出广阔的应用前景。
图1 电磁波频谱及红外/太赫兹光电探测器的应用
据麦姆斯咨询报道，近期，南京大学纪小丽教授团队在Micromachines期刊上发表了题为“Recent Advances in Broadband Photodetectors from Infrared to Terahertz”的综述文章，概述了从红外到太赫兹波段的宽带光电探测器的最新研究进展，系统介绍了其分类、工作原理和性能特性，探讨了宽带探测技术面临的关键挑战，总结了扩展光电探测器光谱响应范围的多种策略，并展望了该领域的未来研究方向，包括利用新型材料、人工微结构和集成方法等突破当前技术瓶颈，从而实现高性能、超宽带光电探测器。
光电探测器工作机制及关键特性
光电探测器是通过光吸收过程，将光信号转换为电信号，在此过程中会产生额外的电荷载流子。通常，光电探测机制主要分为两类：（1）热效应机制：通过吸收光能产生热量，引发探测器材料温度变化并产生自由电荷载流子，进而实现光电探测，包括光热辐射效应（PBE）和光热电效应（PTE）；（2）光电跃迁机制：光入射至器件有源通道后，通过光学跃迁激发自由电荷载流子，包括光电导效应（PCE）、光伏效应（PVE）和光电门效应（PGE）。除上述光电探测机制外，近年来还发现了许多基于其它物理原理的探测机制，例如热相变、热释电和电磁感应阱（EIW），以及融合多种探测机制的器件。
图2 光探测机制示意图
影响光电探测器性能的关键特性主要包括响应度（R）、噪声等效功率（NEP）、探测率（D*）、量子效率（EQE）、响应时间以及光谱响应范围。
基于热效应的宽带光电探测器
基于热效应（例如光热辐射效应、光热电效应、热释电效应和热相变）的宽带光电探测器，其核心原理是通过吸收光能产生热量，引发探测器材料温度变化，进而实现光信号检测。该类探测器不受材料带隙限制，无需特定光子能量激发，理论上可实现超宽带光谱的高灵敏度光探测。需注意的是，不同类型的热效应超宽带光电探测器，需通过差异化的材料选择与结构设计，以实现最优性能与应用适配性。
图3 光热辐射型宽带光电探测器
图4 二维碳基光热电型宽带光电探测器
基于光电效应的宽带光电探测器
基于热效应的光电探测器在实现高速检测方面存在瓶颈，限制了其应用场景与实用价值。基于光电效应的宽带光电探测器，通过吸收光子能量激发材料中的电子，产生电子-空穴对，进而形成电流或电压信号以实现光检测。该类光子型探测器具有响应范围可调、信噪比优异及响应速度快等关键优势，其主流物理机制包括光电导效应（PCE）与光伏效应（PVE）。
图5 光电导型宽带光电探测器
图6 光伏型宽带光电探测器
基于其它效应的宽带光电探测器
除热效应和光电效应外，还有更多基于其它效应的宽带光电探测器，例如基于非线性霍尔效应的宽带光电探测器、基于多效应融合的宽带光电探测器、基于电磁感应阱（EIW）效应的宽带光电探测器等。
图7 基于多种机制的宽带光电探测器
图8 基于电磁感应阱效应的宽带光电探测器
总结与展望
红外至太赫兹波段的宽带光电探测器已成为满足现代通信以及医疗、军事和工业领域对高灵敏度、高速和宽带检测需求的重要光电器件。展望未来，该类器件的发展前景将更加广阔，并蕴含巨大的发展机遇。未来的重点研究方向主要包括：
（1）探索新材料和大面积生长：研究新型热和光电材料（例如二维材料、拓扑绝缘体、有机-无机杂化材料和钙钛矿等），以拓宽探测波长范围并提升探测器性能与灵敏度；研究材料大面积沉积技术（例如磁控溅射、脉冲激光沉积、原子层沉积、范德华生长等），以实现低成本焦平面阵列（FPA）探测器量产。
（2）人工微结构增强光吸收：通过设计制备超材料与人工微结构，有效拓宽探测器的光学响应范围。利用微结构的负折射、表面等离激元共振等独特特性，可实现对不同波长光信号的选择性吸收与增强，助力探测器实现宽波段高效检测。
（3）高速低功耗解决方案：提升热效应光电探测器的响应速度，以适配高频工作场景，实现高速成像与高频信号检测；同时聚焦自供电设计与器件小型化，满足低功耗、高速通信及便携式设备的需求。
（4）强化器件集成功能：在超宽带探测器内集成增强对比度偏振成像、多路光通信、动态加密等功能，提升设备智能化水平；将探测器与信号处理、读出模块等集成，提高应用效率；通过3D堆叠技术实现片上智能与阵列大面积集成。
（5）提升可靠性和稳定性：重点优化超宽带探测器在高温、辐射等极端环境下的可靠性与稳定性，增强其在复杂工况中的实用价值。
（6）开发低成本制造技术：在器件性能满足设计要求的前提下，需兼顾制备工艺的可行性，开发低成本、高效率的制造技术。硅基标准CMOS工艺是现代IC制造的主流工艺，技术高度成熟且成本低廉，因此器件制造工艺应优先考虑与硅基CMOS工艺兼容。
（7）跨学科研究和多样化应用：推动与人工智能（AI）、量子技术等领域的跨学科合作，为宽带光电探测带来创新突破；同时拓展在生物医学、环境监测、安全等领域的应用，释放其解决社会难题与推动科学进步的潜力。
未来，通过跨学科合作和技术突破，超宽带光电探测器将在推进技术发展和丰富人类生活方面发挥关键作用。
论文信息：https://doi.org/10.3390/mi15040427
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