行业资讯 | 先进红外光电传感器研究进展及应用方向

红外光电传感器因其在军事国防、生物医疗、环境监测、工业检测和人机交互系统等领域的广泛应用，在过去的几十年中吸引了大量的研究。全面了解红外光电传感器对于实现其未来的优化至关重要。

据麦姆斯咨询报道，北京航空航天大学和新加坡国立大学的研究人员联合在Nanomaterials期刊上发表了题为“Progress in Advanced Infrared Optoelectronic Sensors”的综述文章。文中全面综述了红外光电传感器的最新进展。首先阐明了其工作机理，随后介绍了评价红外光电传感器的关键性能指标，接着概述了高性能红外光电传感器的有前途的材料与纳米结构，以及最先进传感器的性能，最后指出了红外光电传感器面临的挑战，并探讨了优化方向，为未来红外光电传感器的发展铺平了道路。

01, 工作机理

光伏效应是指光激发产生的电子-空穴对在内部电场的驱动下产生、分离和传输进而产生电信号的现象。基于光伏效应，红外光电传感器吸收光子以产生电子-空穴对，然后被内部电场提取和加速，从而产生相当大的光电流/光伏信号。它们的内部电场主要来自肖特基结、半导体同质结/异质结和半导体/电解质结界面处耗尽区的形成。

光子型红外光电传感器的工作机理

光电导效应是指半导体的电导率随入射光的强度而变化的一种现象。基于光电导效应的红外光电传感器中电信号的产生与基于光伏效应的电信号的产生非常相似，其中光生电子-空穴对是通过吸收光子产生的。然而，在光电导传感器中，光生电子-空穴对的分离和传输需要外部电场作为驱动力。

热释电效应是指响应于温度变化引起的自发极化变化而产生电荷的现象，这通常发生在某些极性材料中。热释电红外光电传感器相比其它类型的传感器具有诸多优势，例如室温工作、宽波长响应和低成本，使其能够用于多种消费类应用。

光热电效应利用半导体中光热效应和热电效应的耦合来产生电势。下图显示了典型的光热电红外光电传感器，它具有平面器件配置，电极位于半导体的两端。除了n型或p型半导体，光热电红外光电传感器还可以通过利用某些材料中的p-n结来构建。

光热型红外光电传感器的工作机理

利用光伏效应和光热效应的优点，可以基于热释电-光伏效应构建红外光电传感器，该效应是热释电极化、半导体/铁电特性和光激发过程的耦合。由于光诱导的光伏信号和热电信号具有相同的极性，与仅基于热释电效应或光伏效应的红外光电传感器相比，热释电-光伏红外光电传感器的电信号可以实现增强的红外响应。热释电-光热电效应是构建红外光电传感器的另一个重要机制，因为它最大限度地利用光诱导热来产生电信号。

基于耦合效应的红外光电传感器工作机理

02, 关键性能指标

评价红外光电传感器性能的关键参数包括其光谱响应范围、响应率（R）、响应速度、增益（G）、噪声等效功率（NEP）、比探测率（D*）、开/关比（Rratio）、线性动态范围（LER）和外部量子效率（EQE）。

03, 材料及其性能

二维材料因其厚度可调的带隙、高载流子迁移率和强光吸收特性，在构建高度集成和高效的红外光电传感器方面具有巨大的潜力。由于红外波段对应的光子能量较低（约1.55 eV），因此红外光电传感器中使用的二维材料大多为半金属和窄带隙半导体。以石墨烯、TaAs、PdTe₂、WTe₂和TaIrTe为代表的半金属具有无带隙的线性锥形电子能带结构，可实现延伸至远红外光谱区的宽带红外传感。半金属中的光生载流子会通过快速电子-电子散射大幅缩短寿命，进而实现快速响应。但受无带隙特性影响，基于半金属的红外光电传感器通常存在暗电流较大的问题。黑磷（BP）、黑砷磷（B-AsP）、硒氧化铋（Bi₂O₂Se）、碲烯、金属硫族化合物和过渡金属二硫族化合物等窄带隙二维半导体，具有厚度可调的带隙，有助于降低暗电流。在这些二维材料中，石墨烯、黑磷（BP）和金属硫族化合物是制备红外光电传感器最常用的材料。

用于红外光电传感器的二维材料

窄带隙III-V族半导体因其高载流子迁移率、优异的稳定性、低介电常数和高吸收系数而被广泛用于构建红外光电传感器。到目前为止，已经开发了III-V族半导体量子点、薄膜和单晶纳米线来实现高性能的红外传感。与基于单晶纳米线的红外传感器相比，基于III-V族半导体量子点和薄膜的红外传感器通常表现出相对较差的性能，因为量子点和薄膜在制备过程中会产生许多体缺陷和表面缺陷。半导体单晶纳米线可以沿其轴向传输电荷载流子，减少载流子散射与俘获，从而提高器件性能。

铁电材料因其显著的热释电效应和反常的光伏效应而成为制造红外光电传感器的关键材料。与其它类型的热电材料相比，铁电材料具有独特的优势，例如高热电系数、优异的化学和机械稳定性以及低制造成本。此外，一些铁电材料具有窄带隙，使其适合同时利用热电和光伏效应来检测红外光。近年来出现的一类用于红外传感应用的铁电材料是分子钙钛矿材料，其具有极强的结构灵活性，例如金属卤化物钙钛矿、金属甲酸盐及无金属分子钙钛矿等。

有机半导体材料因其固有的灵活性、重量轻、成本低、可扩展性和易于制造而成为构建红外光电传感器有吸引力的候选者。此外，有机半导体材料可以实现非制冷型红外传感，从而在未来的可穿戴设备中具有巨大的潜力。已经进行了大量努力来探索适用于高性能红外光电传感器的有机半导体。目前，用于红外光电传感器的有机半导体材料的研究主要集中在开发窄带隙有机聚合物和小分子上。

除了上述已被广泛研究的先进材料外，其它一些材料也被用于构建高性能红外光电传感器，例如汞硫族化合物和有机-无机杂化钙钛矿半导体。汞硫族化合物在近红外和中红外区域表现出独特的超宽和可调的光响应，显示出与商用设备相当的光电传感性能，在高温下尤其有利。有机-无机杂化钙钛矿半导体因其长激发扩散长度、高载流子迁移率、直接带隙和高吸收系数而被认为是红外传感应用中最有前景的材料之一。

04, 应用

红外光电传感器已深度融入现代技术和人类社会，应用领域涵盖图像传感、光学神经形态计算、逻辑运算和健康监测等。

成像是红外光电传感器最广泛的应用之一，已经开发了大量基于不同材料的成像器件。红外偏振成像传感器能够将光电信号的探测范围从光的波长和强度扩展到光的偏振矢量，在遥感成像、医学诊断和环境监测领域显示出巨大的潜力。除了上述平面形成像传感器外，红外光电传感器还可以设计成半球形，用于广角成像应用。

用于成像的红外光电传感器

神经形态光电传感器利用人工光敏突触，能够模拟生物神经系统，具有记忆感知和计算能力。基于由苝和氧化石墨烯组成的平面异质结构，光电传感器表现出0.365 μm至1.55 μm的宽带光感知范围和3.1 × 10¹³ Jones的超高比探测率。此外，红外光电传感器还可用于边缘计算（传感器内计算），显著降低分布式系统和机器人设备中人工视觉的通信延迟和能耗。

用于神经形态计算的红外光电传感器

对广泛数据处理日益增长的需求推动了人们对光电逻辑门平台的兴趣，因为它们具有宽带宽和快速数据传输。基于背靠背p+-i-n-p-p+二极管结构的光电传感器对可见光和红外光表现出双极性光谱光响应。当被可见光和红外光照射时，传感器分别产生正极性和负极性的电流，为光学逻辑门操作铺平了道路。

用于逻辑运算的钙钛矿红外光电传感器的器件设计与输出特性

红外光电传感器为健康状况监测提供了一种有效手段，特别是脉搏频率和血氧饱和度（SpO₂）。下图展示了一种基于金属卤化物钙钛矿的柔性光电传感器，可用于基于光电容积描记法的脉搏信号检测。

用于健康监测的红外光电传感器

除了上述应用外，红外光电传感器还展示了在光通信和气体传感方面的潜在应用。

用于光通信和气体传感的红外光电传感器

总而言之，本文综述了红外光电传感器的研究进展。根据其工作机理，这些传感器大致可分为三类：光子型传感器、光热型传感器和混合型传感器。二维半金属和半导体、III-V族半导体、铁电材料和有机半导体在红外光电传感方面表现出独特的优势。例如，二维半金属和半导体由于其高载流子迁移率而适合高速光电探测，铁电材料具有同时利用热释电和光伏效应来增强光响应的潜力。红外光电传感器深深融入现代技术和人类社会，在成像、神经形态计算、逻辑运算、光通信、健康监测、气体传感等领域有着广阔的应用前景。

尽管红外光电传感器的研究取得了诸多进展，但该领域仍面临若干挑战。

• 现有大多数红外光电传感器的响应速度在微秒级，不足以捕获快速变化的光。
• 为了进一步优化器件，需要对红外光电传感器进行全面表征，包括其响应范围、响应度、比探测率、响应时间、NEP、LDR和EQE。
• 虽然一些红外光电传感器已被用于健康监测应用，但缺乏对其生物相容性的研究。

考虑到对高性能红外光电传感器的需求不断增长，在不久的将来可以追求各种研究方向来推进红外光电传感器的发展。

• 大多数用于红外光电传感器的二维材料都是基于小尺寸机械剥离薄片制造的，因此开发可规模化生产的技术至关重要。实现大规模二维材料的最有前景的方法可能是CVD和分子束外延。
• 基于窄带隙半导体的红外光电传感器通常由于环境温度的变化而表现出不稳定的性能，因此开发温度不敏感器件具有重要意义。集成到红外光电传感器中的微型恒温系统可以帮助解决这一问题。
• 光逻辑运算和光通信的发展对高频器件提出了新的挑战，因此，超快红外光电传感器是理想的。为了实现这一目标，需要具有超高载流子迁移率的材料和具有强内建电场的同质/异质结构。
• 生物相容性红外光电传感器的研究在未来的医疗保健中具有广阔的应用前景。这可以通过使用无毒有机半导体来实现。
• 在光学神经形态计算应用中，开发用于权重存储、具有长记忆特性的光突触至关重要。利用器件界面或铁电极化实现载流子俘获，有望实现这一目标。总体而言，红外光电传感器的发展将推动日常生活、工业及医疗领域的进步，仍需更多努力以进一步提升其性能。

参考资料：

中国国际光电博览会-深圳光博会

CIOE

举办地区：广东

开闭馆时间：09:00-17:00

举办地址：深圳市宝安区福海街道和平社区展城路1号

展览面积：240000㎡

观众数量：121458

举办周期：1年1届

主办单位：中国科学技术协会