文章来源：红外芯闻

红外探测技术作为国防安全、环境监测、医疗诊断、工业检测及自动驾驶等领域的核心支撑，正朝着高探测灵敏度、多功能传感、片上智能化的方向快速演进。传统红外探测器（如碲镉汞HgCdTe、量子阱器件）虽在性能上占据主导地位，但面临制冷需求严苛、制造成本高昂、功能单一等固有局限，难以满足下一代应用对低功耗、小型化、集成化的严苛要求。

近年来，红外探测技术在材料体系、微观结构设计与系统集成层面迎来全方位突破：材料层面从传统窄带隙半导体拓展至二维材料、量子点等新兴体系，通过能带工程与界面调控实现室温工作与宽光谱响应；微观结构层面借助等离子体、超构表面等纳米光子学手段，突破材料本征性能限制，实现偏振、波长等多维信息的精准捕获；系统集成层面则融合传感器内计算、片上数字化等技术，将传感、存储与计算功能集成于单芯片，构建兼具自适应感知、数据压缩与实时信号处理能力的智能探测系统。这些创新不仅解决了传统技术的核心痛点，更推动红外探测从单一信号检测向多功能、智能化的方向跨越，为复杂场景应用提供了全新解决方案。图1概念性地展示了从材料进步到集成智能系统的红外探测的最新进展。

图1 从材料、器件和系统视角看红外探测技术的最新进展

据麦姆斯咨询报道，近日，复旦大学和中国科学院上海技物所的研究团队通过概述材料、结构设计和探测原理的最新进展，旨在为当前红外探测技术格局提供全面图景，并激发下一代红外探测器开发的新思路。相关综述论文以“Recent Progress in Infrared Detection From Material Advances to Integrated Intelligent Systems”为题发表在Advanced Materials期刊上。

• 红外光电探测器的概念框架

图2 红外探测器及其暗电流机制示意图

核心性能指标包括响应率（R）、比探测率（D*）与时间动力学特性。响应率表征光功率到电信号的转换效率；比探测率通过归一化噪声、器件面积与带宽，成为跨平台性能对比的关键指标；光子探测器的响应时间由载流子寿命或渡越时间决定，可达纳秒至皮秒级，而热探测器的响应速度受热容量与热导率制约，存在灵敏度与带宽的固有权衡。暗电流是限制探测器性能的核心瓶颈，主要源于扩散电流、产生-复合电流、隧穿电流及表面泄漏电流，其抑制需通过材料能带工程、缺陷控制与结构优化协同实现。

• 传统红外材料的新发展

传统红外材料通过异质结构工程与器件架构创新，持续突破性能极限。HgCdTe作为窄带隙化合物半导体的代表，仍是中长波红外探测的标杆材料，通过耗尽工程、非平衡结构设计（如P⁺-π-N⁺结构）与超晶格势垒整合，有效抑制俄歇复合与暗电流，实现高温工作（HOT）探测，部分器件暗电流密度已低于Rule 07预测水平，在300K下仍保持优异的响应率。

图3 HgCdTe红外光电探测器的创新

量子阱（QW）与Ⅱ型超晶格（T2SL）材料凭借可设计的能带结构，成为HgCdTe的重要替代方案。量子阱红外光电探测器（QWIP）通过准连续域束缚态（qBIC）设计与光伏架构优化（如量子棘轮探测器QRD），突破传统光导型器件的暗电流瓶颈，背景限制探测率（D*BG）可达4.55×10¹² Jones；T2SL材料则通过纳米结构制造的光子捕获结构与单极势垒（N-B-N/P-B-N）设计，在抑制产生-复合电流的同时提升量子效率，InAs/GaSb T2SL探测器的平均量子效率较传统器件提升77%，截止波长可精准调控至中红外波段。

图4 QWIP和T2SL红外光探测器

量子点（QDs）凭借三维量子限制效应，展现出独特优势：无需外部光栅即可响应垂直入射光，其声子瓶颈效应延长载流子寿命，且其尺寸、成分可调性支持多波长探测。通过表面配体工程与掺杂调控，量子点红外探测器（QDIP）实现近红外波段高选择性探测，探测率达1.31×10¹¹ Jones，响应时间低至0.83 μs，部分垂直堆叠结构还实现了短波与中红外双波段切换功能。

图5 量子点红外光探测器的应用

• 二维红外材料

二维材料以其原子级厚度、优异的机械柔性与强光-物质相互作用，为红外探测提供了全新平台。石墨烯凭借高载流子迁移率与宽光谱响应，通过电荷注入架构与栅控调制，实现中红外波段高量子效率探测，响应率可达38 A/W，室温比探测率约1×10⁹ Jones；黑磷（BP）则因褶皱晶格结构带来的强面内各向异性与层厚可调带隙（单层2 eV至块体0.3 eV），在近红外至中红外偏振敏感探测中表现突出，通过应变工程可实现从短波红外到中波红外的光谱调谐，峰值探测率达8.45×10⁹ Jones。过渡金属硫族化合物（TMDs）与纳米薄膜材料拓展了二维红外材料的应用边界。PtS₂、MoTe₂等TMDs通过应变调控与异质结集成，实现通信波段（1550 nm）高效探测，响应时间低至74 μs；Te-Se合金、PdSe₂等纳米薄膜则凭借CMOS兼容的制备工艺与高载流子迁移率，实现300-1600 nm宽光谱响应，暗电流密度低至3.1×10⁻⁵ mA/cm²，为大规模阵列制备奠定基础。二维异质结通过范德华堆叠构建，有效规避晶格失配问题，其Ⅱ型能带排列促进光生载流子分离，部分BP/MoS₂异质结探测器在3.5 μm波长下的偏振消光比可达100，展现出多维信息探测潜力。

• 热敏感材料

热敏感材料的创新聚焦于突破传统热探测器的速度-灵敏度权衡。纳米尺度热工程通过维度缩减与边界散射调控，实现热导率与电导率的解耦，TiW天线耦合的纳米热电测辐射热计响应时间低至3.6 ms，比探测率达3.1×10⁸ Jones；光热电（PTE）探测器作为新型热探测范式，基于空间温度梯度与塞贝克系数梯度的耦合效应，实现零偏压、宽光谱工作，石墨烯-PTE探测器的3dB带宽可达420 GHz，Te纳米带基器件的偏振比高达2.5×10⁴，为室温长波红外探测提供了新路径。有机半导体与低维材料的融合进一步拓展了热敏感材料的应用场景。通过化学掺杂引入带隙态，有机测辐射热计实现10 μm以上波段探测，室温比探测率达8×10⁹ Jones，兼具柔性与大面积制备优势；Weyl半金属（如PtSe₂）凭借弱电子-声子耦合特性，实现非平衡热载流子的高效捕获，其PTE探测器在0.1 THz波段的响应时间低至4.5 ns，噪声等效功率（NEP）仅19.6 pW/Hz¹/²，突破了传统热电材料的性能极限。

• 等离子体增强红外探测器

等离子体结构通过金属纳米结构中自由电子的集体振荡，将电磁场局域于亚波长尺度，实现光-物质相互作用的显著增强。根据激发模式可分为表面等离子体极化子（SPP）与局域表面等离子体（LSP）：SPP存在于金属-介质界面，具有一定传播距离；LSP局限于纳米颗粒等结构内部，可产生强局域场增强。将等离子体光栅、纳米天线等结构与红外探测器集成，能够有效提升光吸收效率、调控光谱响应特性与偏振敏感性。

图6 SPP和LSP原理及其在红外探测器中的应用

在性能增强方面，Au光栅与InGaAs探测器的集成通过SPP与波导模式耦合，显著提升近红外探测灵敏度与响应速度；石墨烯基探测器结合等离子体超构表面，实现光吸收效率的数量级提升，同时通过模式设计实现偏振分辨探测。在功能拓展方面，通过调控等离子体结构的对称性与取向，可实现对入射光偏振态、轨道角动量（OAM）等多维信息的解码，部分器件已实现全斯托克斯参数测量与手性光识别，为复杂光场探测提供了紧凑解决方案。

• 超构表面增强红外探测器

超构表面由周期性排列的亚波长单元组成，通过调控单元的尺寸、形状与排列方式，可在深亚波长尺度上灵活操控电磁波的相位、振幅与偏振，相比传统光学元件具有体积小、功能集成度高的优势。其工作机制包括传播相位、Pancharatnam-Berry（PB）相位与惠更斯原理，分别适用于线偏振光调控、圆偏振光宽频控制与阻抗匹配型波前调制。

图7 超构表面原理及其在红外探测器中的应用

超构表面与红外探测器的集成实现了多重功能突破：金属透镜型超构表面可将中红外光聚焦于探测器光敏区，显著提升光收集效率与响应率；基于准连续域束缚态（qBIC）的超构表面通过高品质因子（Q）共振，实现窄带滤波与光吸收增强的协同，部分HgCdTe基器件的响应率提升70%；利用PB相位设计的超构表面，可在单芯片上实现偏振分离与光谱滤波功能，为多维信息融合探测提供了极简架构。此外，全介质超构表面通过规避金属损耗，在中长波红外波段展现出更高的探测效率与稳定性。

• 3D组装红外探测器

3D组装架构通过立体结构化设计，突破二维平面器件的性能局限，实现光吸收、热管理与载流子传输的协同优化。典型方案包括3D堆叠异质结、纳米柱阵列与悬空微桥结构：3D堆叠的石墨烯/量子点复合体系通过增强光散射与延长光程，实现380-2200 nm宽光谱探测，比探测率达1.6×10¹¹ Jones；硅纳米柱阵列与PtTe₂的集成使器件响应率较平面结构提升一个数量级，在11 μm波长下NEP低至1.76 nW/Hz¹ᐟ²；悬空微桥结构通过减少热传导损耗，显著提升热探测器的灵敏度，部分器件的响应率较传统结构提升两倍。

图8 3D组装红外探测器的器件结构与应用

3D组装架构的核心优势在于多维参数的协同调控：通过优化结构的几何尺寸与空间分布，可同时实现光吸收增强、热隔离优化与载流子输运改善，解决了传统器件中灵敏度与响应速度的固有矛盾。此外，3D结构的高比表面积与灵活的界面设计，为多材料集成与功能拓展提供了更大自由度，推动探测器向高集成度、多功能化方向发展。

• 微型光谱仪

微型光谱仪通过片上集成的光学滤波、色散与探测单元，实现光谱信息的芯片级分析，突破传统光谱仪体积庞大、成本高昂的局限。基于超构表面与量子点阵列的微型光谱仪是当前研究热点：超构表面通过单元结构的程序化设计，实现不同波长光的选择性聚焦与探测，体积仅为传统器件的1/10；量子点阵列则利用不同尺寸量子点的带隙可调性，实现多波长并行探测，结合机器学习算法可完成光谱重建与物质识别。

图9 基于计算光谱重建的微型光谱仪系统

已报道的片上微型光谱仪在近中红外波段实现了高分辨率探测，部分器件的波长分辨率低至5 nm，且具备快速响应（毫秒级）与低功耗特性。在应用层面，微型光谱仪已成功用于气体传感（如甲烷1.65 μm吸收带检测）、生物组织成像与工业质量控制，为便携式分析设备的开发提供了核心支撑。

• 红外探测器中的神经网络

神经网络技术的融入为红外探测系统提供了强大的数据处理能力，实现从原始信号到高级特征的直接提取。在探测端，神经形态探测器通过模拟人脑神经元的信息处理模式，将传感与计算功能融合，可实时完成信号降噪、特征提取与模式识别；在信号处理端，卷积神经网络（CNN）与循环神经网络（RNN）被广泛用于红外图像增强、目标检测与光谱解析，例如通过CNN实现低信噪比红外图像的目标识别率提升至95%以上，利用RNN完成动态光谱信号的实时解调。

图10 神经网络及神经网络辅助红外成像系统原理

神经网络与红外探测器的集成方式包括离线训练-在线推理与片上训练两种：前者通过离线训练优化网络参数，在探测器的信号处理单元中实现推理功能，兼顾性能与功耗；后者则通过可重构的硬件架构，实现探测器在复杂环境中的自适应学习与参数优化，进一步提升系统的环境适应性。

• 片上数字化

片上数字化通过将模数转换（ADC）、数据存储与处理单元集成于探测芯片，显著提升系统的动态范围与数据处理效率。数字像素焦平面阵列（DFPA）是片上数字化的典型代表，每个像素集成微型ADC与存储单元，可直接输出数字信号，避免了模拟信号传输过程中的噪声干扰，动态范围较传统阵列提升两倍以上。

图11 数字像素焦平面阵列架构、数据转换方法与成像性能

片上数字化的核心优势在于数据处理的实时性与集成度：通过在像素级实现数据压缩与特征提取，大幅降低数据传输带宽与功耗；结合CMOS工艺的兼容性，可实现探测器与读出电路的单片集成，显著减小系统体积与重量。已报道的DFPA在1550 nm波段实现了50 kbps的偏振编码通信，误码率低于10⁻⁶，满足工业通信标准，为芯片级红外通信系统提供了可行方案。

红外探测技术正经历从材料革新到系统智能的全方位变革，在材料、结构与系统三个层面取得了突破性进展。红外探测技术仍面临诸多挑战：新兴材料的大面积均匀制备、器件长期稳定性、高温下暗电流抑制等问题亟待解决；复杂微观结构的低成本规模化制造与多材料异质集成仍存在技术瓶颈；智能化系统的低功耗设计与实时性优化需要进一步突破。未来，通过材料创新、结构优化与系统集成的协同发展，红外探测技术将朝着更灵敏、更紧凑、更智能的方向演进，在国防安全、智能传感、生物医学等领域发挥更关键的作用，推动下一代光电子系统的革新与应用。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202521432