Surface/Interface Engineering for High‑Resolution Micro‑/Nano‑Photodetectors

Jinlin Chang, Ting Liu*, Xiao Geng, Genting Dai, Liangliang Yang, Mingjun Cheng, Linpan Jiang, Zhenyuan Sun, Jianshe Liu, Wei Chen*

Nano-Micro Letters (2026)18: 95

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01933-8

研究背景

光电探测器可以将光能转化为电信号，因此广泛应用于光伏、光子计数、监测和成像。光电单元因其小尺寸易于集成在制备高分辨率光电芯片领域具有无与伦比的优势。然而，由于材料缺陷和结构不足，这些光电探测器单元往往表现出不理想的光电性能，这极大地限制了器件的功能。进行光电器件的表界面修饰和设计微纳结构可以补偿缺陷，调整带隙，开发新的量子结构，从而大幅优化光伏单元。因此，进行全面且具体的光电器件表界面工程研究是优化光电器件的关键内容。

本文亮点

1. 光电器件优化策略：系统阐述了表界面工程在光电器件缺陷优化，带隙调整，和新型结构开发等方面的作用。

2. 多方位综合分析：从原理、类型和参数等方面全面汇总了微纳光电探测器的表界面工程方案，并分析了材料选择和制造技术对其的影响。

3. 低维拓展与工业化展望：拓展了表界面工程在推动低维光电材料的发展方面的重要意义，并探索了其在柔性光电器件及其产业化方面的作用。

内容简介

光电探测器的功能与人眼相似，能够将外部光信息转化为电信号用于计算机显示与存储；同时作为能量转换器，可将光能转化为电能。微纳光电探测器是光电探测器研发的核心目标，通过缩小光电单元实现芯片小型化，同时提升信号信息处理速度。然而，光电探测器单元尺寸缩小往往导致光电性能下降，这归因于材料缺陷与结构不完善，严重制约了器件功能。表界面工程，包括设计改性策略与微纳结构，可通过补偿缺陷、调整带隙、开发新型量子结构，从而优化光伏单元并革新光电探测器。清华大学陈炜团队旨在全面阐述微纳光探测器的表界面工程方案，从光探测器的基本原理、类型及参数等基础出发，系统论述了材料选择、制造工艺及后处理的影响。更重要的是，我们深入分析了表界面工程对光伏器件性能的重大影响，包括表界面改性及微纳结构设计。最后展示了光电子器件在电子器件微型化、机器人技术等领域的应用与前景。

图文导读

I 光探测器的物理基础

光探测器基于不同的物理原理可以大致分为光伏效应，光导效应，光热电效应以及其它效应等。光伏效应是指半导体器件在光照下自发产生光电流的效应。在半导体PN结中，光生电子和空穴在结界面处产生，并被内置电场隔开，导致光生电流的定向产生。光导包括一些光响应半导体材料，当光照射时，这些材料会在半导体中产生多余的载流子，电导率会发生变化，从而实现光检测。如图1所示，展现了外部辐射与材料之间的三种相互作用，其中吸收作用是光探测器的先决条件；之后，一些光电探测器的电路符号：光电管(或真空光电二极管)、光电二极管、光电晶体管、光电FET、光电MOS和光敏电阻被展示。光伏效应和光导效应等作用原理也在图中展示。

图1. 光探测器的原理和类型。

II 微纳光探测器的材料选择和制备工艺

光电材料的性能受制备工艺的影响很大，根据不同材料选择合适的制造工艺非常重要。例如，在化学气相沉积中，具有大比表面积的二硫化钼极易吸附气体中的其他杂质，从而导致散射并降低光电探测器的性能。研究人员还在探索新的制备工艺，以提高半导体材料的质量、微纳控制和尺寸。例如，外延横向过生长可用于在缓冲层的帮助下优化半导体结构。探索更优的基板材料或通过量子限制设计基板的微观结构对于提高产品质量非常重要。如图2所示是一种脉冲激光沉积工艺制备光探测器的展示图。

图2. PLD工艺制备光探测器。

III 微纳光探测器的表界面工程

微纳光探测器的表界面工程主要分为表界面修饰和微纳结构设计两方面。通常，表界面改性是通过使用一些官能团或涂层来防止材料表面劣化来实现的，这有助于器件保持良好的性能并提高其稳定性；然而，过厚的保护层会阻挡一些入射光并降低光吸收。因此，对于感光吸收体的表面改性层，应尽可能薄，以尽量减少光损失，同时保护材料。通过增加光吸收层的比表面积，可以显著增加光吸收面积，这有利于增强光电转换。然而，这种结构也容易发生载流子复合和湮灭，因此应设计适当的表面粗糙度。通过缺陷钝化减少深陷阱和增强表面光陷阱也是一个重要方面。深阱不利于载流子分离，而浅阱可以显著提高光电转换率。表面量子阱的设计原理是相似的，它通过改善表面光捕获来增强光电转换。表面等离子体改性利用等离子体共振效应在吸收层中更有效地捕获光子。它可以以极小的厚度被激发，而过厚的涂层会阻碍光子进入感光层。在光电器件中，由于不同的材料或晶体类型，不同的部件可能会出现失配，导致传输损耗，因此需要对界面进行修改以减少损耗。一些基于表界面修饰的方案如图3所示。

 图3. 一些用于微纳光探测器优化的表界面修饰方案。

微纳结构设计与表界面修饰截然不同，在PN结或某些设计中，需要特殊的异质结构来促进载流子分离，在外部电路中产生电势差，并实现光电转换。表面图案的设计具有多样性，这本质上增加了比表面积以增强光吸收。一些特殊图案，如平面天线，也可以通过选择特定波长来实现选择性检测。低维光电探测器由于其高均匀性而通常具有高性能，而且由于其尺寸小，它们更容易制备高度集成的光学传感阵列，这在小型化和集成电路领域具有突出优势。一些功能结构/界面，如吸收层、多反射层、谐振腔等，通过增强光吸收来提高光电转换效率并优化光电探测器。这些结构设计有助于吸收和减少光损失，因此应避免过厚。在光电探测器中，有多个表面/界面，如光敏层、光电转换层、PN结、绝缘层等。不同的部件和层间需要根据其功能进行不同的设计和修改；此外，材料和制备工艺的差异也可能导致所需接口工程设计的变化。微/纳米结构设计和改性相辅相成，通过作用于材料/器件的不同位置发挥不同的功能。在实际应用中，应根据探测器的具体要求进行接口工程设计，并根据探测器指标调整参数。一些基于微纳结构设计的方案如图4所示。

图4. 一些用于光探测器优化的微纳结构设计方案。

IV 总结

本文系统地介绍了高分辨率光电器件的原理、类型和参数，并解释了不同类型光电器件的应用范围。之后，描述了各种类型的光电材料，特别是二维材料在光检测应用中的优势。详细描述了不同的薄膜制备工艺及其后处理方法，旨在减少缺陷并优化结构以提高光电性能。此外，我们还提供了通过表界面改性和微纳结构设计优化光电探测器性能的解决方案，并展示了创新结构光电探测器的发展潜力。最后，我们展示了光电探测器的广泛应用及其在实际应用中的潜力。

目前，表界面工程在可控性、制备和成本方面仍面临挑战。微改性的尺寸需要精确控制反应剂量和时间，即使很小的差异也可能导致失败。此外，微结构的实现通常需要微纳加工技术的帮助，这需要可靠的制造技术。界面工程可以大大优化光电探测器的性能，但其成本也会进一步增加。在应用中，需要在性能和成本之间取得平衡。此外，一些低成本技术可以实现表面界面优化。例如，一些表面处理只需要简单地浸入铅溶液中；退火/热处理/热等静压也可以显著消除内部缺陷。表界面工程与微纳制造技术相辅相成，一方面，表界面工程的实施取决于微纳制造技术的不断发展和成熟；另一方面，微/纳米制造技术将促进创新的改性和结构设计，从而促进表界面工程的发展。此外，随着集成电路的发展和低维光电子材料的工业化，表界面工程将显著提高光电子芯片的性能和光电子材料的创新。目前，机器学习神经网络可用于构建表界面工程的数学物理模型。通过工业大数据，可以推广模型，实现可控的表界面工程设计和制备，进一步促进工业化。

作者简介

陈炜

本文通讯作者

清华大学 教授

▍主要研究领域

纳电子学和超导电子学。

▍主要研究成果

教授，博士生导师。1995年英国剑桥大学博士，1994-1997英国剑桥大学Wolfson学院Hitachi Fellow。 1997-2007美国纽约州立大学石溪分校Research Scientist 及Senior Research Scientist，清华大学“百人计划”特聘教授。

▍Email：weichen@mail.tsinghua.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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