紅外光電傳感器因其在軍事國防、生物醫療、環境監測、工業檢測和人機交互系統等領域的廣泛應用，在過去的幾十年中吸引了大量的研究。全面了解紅外光電傳感器對于實現其未來的優化至關重要。

據麥姆斯咨詢報道，北京航空航天大學和新加坡國立大學的研究人員聯合在Nanomaterials期刊上發表了題為“Progress in Advanced Infrared Optoelectronic Sensors”的綜述文章。文中全面綜述了紅外光電傳感器的最新進展。首先闡明了其工作機理，隨后介紹了評價紅外光電傳感器的關鍵性能指標，接著概述了高性能紅外光電傳感器的有前途的材料與納米結構，以及最先進傳感器的性能，最后指出了紅外光電傳感器面臨的挑戰，并探討了優化方向，為未來紅外光電傳感器的發展鋪平了道路。

01, 工作機理

光伏效應是指光激發產生的電子-空穴對在內部電場的驅動下產生、分離和傳輸進而產生電信號的現象。基于光伏效應，紅外光電傳感器吸收光子以產生電子-空穴對，然后被內部電場提取和加速，從而產生相當大的光電流/光伏信號。它們的內部電場主要來自肖特基結、半導體同質結/異質結和半導體/電解質結界面處耗盡區的形成。

光子型紅外光電傳感器的工作機理

光電導效應是指半導體的電導率隨入射光的強度而變化的一種現象。基于光電導效應的紅外光電傳感器中電信號的產生與基于光伏效應的電信號的產生非常相似，其中光生電子-空穴對是通過吸收光子產生的。然而，在光電導傳感器中，光生電子-空穴對的分離和傳輸需要外部電場作為驅動力。

熱釋電效應是指響應于溫度變化引起的自發極化變化而產生電荷的現象，這通常發生在某些極性材料中。熱釋電紅外光電傳感器相比其它類型的傳感器具有諸多優勢，例如室溫工作、寬波長響應和低成本，使其能夠用于多種消費類應用。

光熱電效應利用半導體中光熱效應和熱電效應的耦合來產生電勢。下圖顯示了典型的光熱電紅外光電傳感器，它具有平面器件配置，電極位于半導體的兩端。除了n型或p型半導體，光熱電紅外光電傳感器還可以通過利用某些材料中的p-n結來構建。

光熱型紅外光電傳感器的工作機理

利用光伏效應和光熱效應的優點，可以基于熱釋電-光伏效應構建紅外光電傳感器，該效應是熱釋電極化、半導體/鐵電特性和光激發過程的耦合。由于光誘導的光伏信號和熱電信號具有相同的極性，與僅基于熱釋電效應或光伏效應的紅外光電傳感器相比，熱釋電-光伏紅外光電傳感器的電信號可以實現增強的紅外響應。熱釋電-光熱電效應是構建紅外光電傳感器的另一個重要機制，因為它最大限度地利用光誘導熱來產生電信號。

基于耦合效應的紅外光電傳感器工作機理

02, 關鍵性能指標

評價紅外光電傳感器性能的關鍵參數包括其光譜響應范圍、響應率（R）、響應速度、增益（G）、噪聲等效功率（NEP）、比探測率（D*）、開/關比（Rratio）、線性動態范圍（LER）和外部量子效率（EQE）。

03, 材料及其性能

二維材料因其厚度可調的帶隙、高載流子遷移率和強光吸收特性，在構建高度集成和高效的紅外光電傳感器方面具有巨大的潛力。由于紅外波段對應的光子能量較低（約1.55 eV），因此紅外光電傳感器中使用的二維材料大多為半金屬和窄帶隙半導體。以石墨烯、TaAs、PdTe?、WTe?和TaIrTe為代表的半金屬具有無帶隙的線性錐形電子能帶結構，可實現延伸至遠紅外光譜區的寬帶紅外傳感。半金屬中的光生載流子會通過快速電子-電子散射大幅縮短壽命，進而實現快速響應。但受無帶隙特性影響，基于半金屬的紅外光電傳感器通常存在暗電流較大的問題。黑磷（BP）、黑砷磷（B-AsP）、硒氧化鉍（Bi₂O₂Se）、碲烯、金屬硫族化合物和過渡金屬二硫族化合物等窄帶隙二維半導體，具有厚度可調的帶隙，有助于降低暗電流。在這些二維材料中，石墨烯、黑磷（BP）和金屬硫族化合物是制備紅外光電傳感器最常用的材料。

用于紅外光電傳感器的二維材料

窄帶隙III-V族半導體因其高載流子遷移率、優異的穩定性、低介電常數和高吸收系數而被廣泛用于構建紅外光電傳感器。到目前為止，已經開發了III-V族半導體量子點、薄膜和單晶納米線來實現高性能的紅外傳感。與基于單晶納米線的紅外傳感器相比，基于III-V族半導體量子點和薄膜的紅外傳感器通常表現出相對較差的性能，因為量子點和薄膜在制備過程中會產生許多體缺陷和表面缺陷。半導體單晶納米線可以沿其軸向傳輸電荷載流子，減少載流子散射與俘獲，從而提高器件性能。

鐵電材料因其顯著的熱釋電效應和反常的光伏效應而成為制造紅外光電傳感器的關鍵材料。與其它類型的熱電材料相比，鐵電材料具有獨特的優勢，例如高熱電系數、優異的化學和機械穩定性以及低制造成本。此外，一些鐵電材料具有窄帶隙，使其適合同時利用熱電和光伏效應來檢測紅外光。近年來出現的一類用于紅外傳感應用的鐵電材料是分子鈣鈦礦材料，其具有極強的結構靈活性，例如金屬鹵化物鈣鈦礦、金屬甲酸鹽及無金屬分子鈣鈦礦等。

有機半導體材料因其固有的靈活性、重量輕、成本低、可擴展性和易于制造而成為構建紅外光電傳感器有吸引力的候選者。此外，有機半導體材料可以實現非制冷型紅外傳感，從而在未來的可穿戴設備中具有巨大的潛力。已經進行了大量努力來探索適用于高性能紅外光電傳感器的有機半導體。目前，用于紅外光電傳感器的有機半導體材料的研究主要集中在開發窄帶隙有機聚合物和小分子上。

除了上述已被廣泛研究的先進材料外，其它一些材料也被用于構建高性能紅外光電傳感器，例如汞硫族化合物和有機-無機雜化鈣鈦礦半導體。汞硫族化合物在近紅外和中紅外區域表現出獨特的超寬和可調的光響應，顯示出與商用設備相當的光電傳感性能，在高溫下尤其有利。有機-無機雜化鈣鈦礦半導體因其長激發擴散長度、高載流子遷移率、直接帶隙和高吸收系數而被認為是紅外傳感應用中最有前景的材料之一。

04, 應用

紅外光電傳感器已深度融入現代技術和人類社會，應用領域涵蓋圖像傳感、光學神經形態計算、邏輯運算和健康監測等。

成像是紅外光電傳感器最廣泛的應用之一，已經開發了大量基于不同材料的成像器件。紅外偏振成像傳感器能夠將光電信號的探測范圍從光的波長和強度擴展到光的偏振矢量，在遙感成像、醫學診斷和環境監測領域顯示出巨大的潛力。除了上述平面形成像傳感器外，紅外光電傳感器還可以設計成半球形，用于廣角成像應用。

用于成像的紅外光電傳感器

神經形態光電傳感器利用人工光敏突觸，能夠模擬生物神經系統，具有記憶感知和計算能力。基于由苝和氧化石墨烯組成的平面異質結構，光電傳感器表現出0.365 μm至1.55 μm的寬帶光感知范圍和3.1 × 1013 Jones的超高比探測率。此外，紅外光電傳感器還可用于邊緣計算（傳感器內計算），顯著降低分布式系統和機器人設備中人工視覺的通信延遲和能耗。

用于神經形態計算的紅外光電傳感器

對廣泛數據處理日益增長的需求推動了人們對光電邏輯門平臺的興趣，因為它們具有寬帶寬和快速數據傳輸。基于背靠背p+-i-n-p-p+二極管結構的光電傳感器對可見光和紅外光表現出雙極性光譜光響應。當被可見光和紅外光照射時，傳感器分別產生正極性和負極性的電流，為光學邏輯門操作鋪平了道路。

用于邏輯運算的鈣鈦礦紅外光電傳感器的器件設計與輸出特性

紅外光電傳感器為健康狀況監測提供了一種有效手段，特別是脈搏頻率和血氧飽和度（SpO?）。下圖展示了一種基于金屬鹵化物鈣鈦礦的柔性光電傳感器，可用于基于光電容積描記法的脈搏信號檢測。

用于健康監測的紅外光電傳感器

除了上述應用外，紅外光電傳感器還展示了在光通信和氣體傳感方面的潛在應用。

用于光通信和氣體傳感的紅外光電傳感器

總而言之，本文綜述了紅外光電傳感器的研究進展。根據其工作機理，這些傳感器大致可分為三類：光子型傳感器、光熱型傳感器和混合型傳感器。二維半金屬和半導體、III-V族半導體、鐵電材料和有機半導體在紅外光電傳感方面表現出獨特的優勢。例如，二維半金屬和半導體由于其高載流子遷移率而適合高速光電探測，鐵電材料具有同時利用熱釋電和光伏效應來增強光響應的潛力。紅外光電傳感器深深融入現代技術和人類社會，在成像、神經形態計算、邏輯運算、光通信、健康監測、氣體傳感等領域有著廣闊的應用前景。

盡管紅外光電傳感器的研究取得了諸多進展，但該領域仍面臨若干挑戰。

• 現有大多數紅外光電傳感器的響應速度在微秒級，不足以捕獲快速變化的光。
• 為了進一步優化器件，需要對紅外光電傳感器進行全面表征，包括其響應范圍、響應度、比探測率、響應時間、NEP、LDR和EQE。
• 雖然一些紅外光電傳感器已被用于健康監測應用，但缺乏對其生物相容性的研究。

考慮到對高性能紅外光電傳感器的需求不斷增長，在不久的將來可以追求各種研究方向來推進紅外光電傳感器的發展。

• 大多數用于紅外光電傳感器的二維材料都是基于小尺寸機械剝離薄片制造的，因此開發可規模化生產的技術至關重要。實現大規模二維材料的最有前景的方法可能是CVD和分子束外延。
• 基于窄帶隙半導體的紅外光電傳感器通常由于環境溫度的變化而表現出不穩定的性能，因此開發溫度不敏感器件具有重要意義。集成到紅外光電傳感器中的微型恒溫系統可以幫助解決這一問題。
• 光邏輯運算和光通信的發展對高頻器件提出了新的挑戰，因此，超快紅外光電傳感器是理想的。為了實現這一目標，需要具有超高載流子遷移率的材料和具有強內建電場的同質/異質結構。
• 生物相容性紅外光電傳感器的研究在未來的醫療保健中具有廣闊的應用前景。這可以通過使用無毒有機半導體來實現。
• 在光學神經形態計算應用中，開發用于權重存儲、具有長記憶特性的光突觸至關重要。利用器件界面或鐵電極化實現載流子俘獲，有望實現這一目標。總體而言，紅外光電傳感器的發展將推動日常生活、工業及醫療領域的進步，仍需更多努力以進一步提升其性能。

參考資料：

中國國際光電博覽會-深圳光博會

CIOE

舉辦地區：廣東

開閉館時間：09:00-17:00

舉辦地址：深圳市寶安區福海街道和平社區展城路1號

展覽面積：240000㎡

觀眾數量：121458

舉辦周期：1年1屆

主辦單位：中國科學技術協會