复旦大学李自清青年副研究员、方晓生教授：低维宽禁带半导体紫外光探测器

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酥鱼 | 编辑

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精确的紫外光检测是现代光电技术的重要组成部分，现阶段的紫外光探测器主要基于宽禁带半导体，例如，III-V半导体。然而，传统的宽禁带半导体在实际应用中达到了瓶颈，难以兼顾高集成度和高柔性。有鉴于此，低维宽禁带半导体由于具有合适的紫外光吸收范围、可调节的光电性能以及良好的衬底兼容性等优势，在多种紫外光工作场景中展现出巨大的应用潜力。

基于低维宽禁带半导体的紫外光探测器在成像、通讯、多光谱探测、弱光探测、可穿戴电子等领域表现出广阔的应用前景。本论文聚焦于低维宽禁带半导体光电探测器领域的进展、挑战和展望，讨论了宽禁带半导体如何在材料设计、维度工程、器件工程等方面调控形貌结构和光电性能，并阐释了材料生长、器件结构和应用场景的内在联系。

随着传感技术的普及，紫外光探测器的市场覆盖了多种消费电子和工业应用领域（如下图a），包括自动驾驶、制药、生物诊断、环境监测和工业监控等。其中，消费电子（智能手机、平板、手表、笔记本等）在制造过程中依赖紫外光消毒，因而对紫外光探测器的需求巨大。同时，紫外消毒产业在生物医药领域的需求日益凸显，特别是新冠疫情期间，需要紫外光探测器来检测环境的紫外光水平。另外，在包装工业、发酵工业、日常生活中，紫外光探测器都有重要的应用。如下图b所示，通过不断减小尺寸，体块的宽禁带半导体可以发展为低维纳米材料（二维材料、一维纳米线和零维量子点），从而展现出机械柔性和独特的电子结构。

这些低维的纳米材料可以进一步组装成大面积有序的体材料，包括晶圆级薄膜、纳米线阵列和量子点超晶格。最终，设计和优化出高性能的紫外光探测器，制造出可穿戴的、智能的和多功能集成的光芯片，以满足不断增长的紫外光芯片需求。

低维宽禁带半导体的材料设计、维度工程和功能化应用

论文首先介绍了如何将低维宽禁带半导体组装成有序的体材料，针对二维、一维、零维的纳米材料，总结了晶圆级单晶薄膜、柔性单晶薄膜、大面积纳米线阵列、量子点超晶格等大面积材料的可靠制备方法，并阐释了自对准外延、金属单晶衬底外延、远程外延、模版辅助外延等生长方法的基本原理和准则。其中，远程外延在制备大面积、自支撑的宽禁带半导体上已经有了成功的实践，而组装宽禁带半导体的零维超晶格仍需要开展大量的研究工作。

随后，明确指出目前的紫外光探测材料在UVC（200-280 nm）波段的灵敏度落后于UVB（280-320 nm）和UVA（320-400 nm）波段，同时，零维宽禁带半导体的响应速度滞后，依然限制在毫秒的阶段。针对上述问题，深入讨论了低维宽禁带半导体的维度调控及其对光电性能的影响，包括二维材料的层数依赖光学特性、一维纳米线/零维量子点的紫外光吸收增强、轴向/径向纳米线异质结构的自驱动性能以及组分工程调控光带隙等。这些策略为优化低维宽禁带半导体的紫外光探测性能指明了方向。

在材料设计和维度工程的基础上，通过设计电荷注入结构、纳米线异质结、p-n异质结等器件结构，实现感存算一体、双极性响应、负响应等新原理的紫外光探测器，有望应用于高集成度的图像传感器、可重构的神经网络视觉传感器和用于加密的光编码器等领域。并进一步梳理了紫外光探测器在柔性电子、紫外成像、弱光探测和多光谱探测等领域的重要应用。

最后，针对紫外光探测器广阔的应用市场，探讨了基于新材料、新结构、新原理的低维宽禁带紫外光探测器的未来研究展望，诸如设计出超宽带隙的低维宽禁带半导体、组装成柔性紫外光探测系统以及构建出片上的紫外光互联系统等。