长期以来，光热电探测器的性能提升受限于两大核心瓶颈：一是光吸收效率不足，尤其是红外波段，传统吸收体难以在宽光谱范围内高效捕获光子并转化为局域温升，温度梯度偏小直接限制了热电转换输出；二是制造工艺难以规模化，此前基于二维材料的光热吸收体多依赖机械剥离，尺寸仅微米级、均匀性差，无法支撑阵列与晶圆级集成，严重制约了技术的实用化进程。二维过渡金属硫族化合物本身具有宽谱吸收、高光热转换效率与良好热稳定性，是理想的光热吸收材料。
据麦姆斯咨询报道，近日，哈尔滨工业大学（深圳）的研究团队提出基于MoS2/SiO2半导体-介质超晶格的高性能光热电（PTE）红外探测器，通过层间光学干涉与电场局域效应实现宽谱增强吸收，结合微尺度热电转换平台构建自供电宽谱探测系统。优化后的器件响应覆盖405–1550 nm可见光至近红外全波段，1550 nm处响应度达17.6 V/W，比探测率突破1.20×1010 Jones，响应时间约16 ms，综合性能处于同类光热电器件第一梯队。研究团队进一步在2英寸晶圆上制备了超过3000个器件单元，验证了工艺的晶圆级均匀性与可扩展性，并基于256像素原型阵列实现了高保真1550 nm红外成像，为下一代自供电、宽光谱、可规模化的红外传感与成像系统提供了全新的材料与工艺路径。研究成果以“Giant Light-Heat-Electricity Conversion in Photothermoelectric Detector Enabled by Semiconductor-Dielectric Superlattices”为题发表在 Advanced Materials期刊上。
MoS2/SiO2超晶格的设计与制备
研究团队设计的MoS2/SiO2超晶格由高折射率的MoS2半导体层与低折射率的SiO2介质层交替堆叠而成。其核心工作原理是：利用两种材料的折射率差异（MoS2 n≈4.49，SiO2 n≈1.46），使入射光在层间界面发生多次反射与干涉，形成类似法布里-珀罗的共振增强效应，将光场局域在MoS2吸收层内，从而大幅提升宽光谱吸收效率。其中MoS2负责将光子能量转化为热量，SiO2则作为光学间隔层调控光程、约束光场。
图1 半导体-介电超晶格集成的光热电（PTE）探测器设计
制备工艺是该工作的核心创新之一。研究团队没有采用传统的逐层生长模式，而是开发了“磁控溅射预沉积+一步硫化”的高效路线。图2展示了MoS2/SiO2超晶格的制备与表征。多维度表征证实了超晶格的高质量，有限元仿真定量揭示了场局域效应。
图2 MoS2/SiO2超晶格的制备与表征
MoS2/SiO2超晶格的光吸收与光热能量转换
光吸收与光热转换是光热电探测器的“第一级引擎”，温升幅度直接决定了最终的输出信号强度。研究团队系统测试了不同周期数超晶格的吸收特性与光热性能，验证了结构设计的显著增益，相关结果如图3所示。研究团队进一步指出，超晶格结构不仅提升了吸收效率，还兼具快速热响应的优势——纳米级多层结构缩短了热平衡时间，使器件兼具高温升与快响应，为高速光热调制与快速探测奠定了基础。
图3 MoS2/SiO2超晶格的光吸收与光热转换性能
超晶格集成探测器中的巨型宽谱光热电子能量转换
基于高光热性能的超晶格吸收体，研究团队将其与Bi2Te3/Sb2Te3微尺度热电PN对平台集成，构建了完整的垂直结构光热电探测器。器件采用悬浮顶电极设计，在衬底与电极间形成空气间隙，有效抑制热散失，保障了高效温差建立；超晶格薄膜通过PDMS辅助转移工艺集成于顶电极表面，Ti粘附层保证了界面结合强度。图4展示了基于MoS2/SiO2超晶格集成实现的高性能光热电探测器及性能。高性能光热电探测不是光热材料与热电材料的简单拼接，而是光、热、电三个能量转换环节的协同优化。该工作通过超晶格做强光热输入、通过微纳热电结构做优热电转换、通过悬浮设计减少热损耗，实现了全链路的效率提升，最终达成了响应速度与探测灵敏度的双重突破。
图4 基于MoS2/SiO2超晶格集成实现的高性能光热电探测器
用于红外成像的晶圆级光热电探测器集成
单器件性能最终要面向阵列与系统应用。研究团队不仅完成了原理性器件验证，更进一步实现了阵列级成像与晶圆级规模化制备，完成了从材料创新到系统集成的完整闭环。在成像演示层面，团队制备了16×16规模的256像素光热电探测阵列，每个像素均集成超晶格吸收体与微热电单元，相关阵列及成像结果如图5所示。
图5 用于红外成像的光热电探测器晶圆级集成
总结
综上所述，这项研究提出的半导体-介质超晶格光热电探测方案，从材料结构、制备工艺到系统集成实现了全链条创新。研究团队首次将MoS2/SiO2人工超晶格引入光热电探测领域，通过多层光学干涉与电场局域效应实现宽谱吸收增强，稳态温升突破100 K，从源头放大了光热转换效率。这项研究为宽光谱、自供电、可规模化的红外探测提供了全新的技术范式。未来通过进一步优化超晶格周期与材料组合、结合专用读出电路与封装技术，有望推动高性能光热电探测器在无源红外传感、工业无损检测、智能物联网与能量收集等领域实现广泛应用。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.74574
