研究背景
人工智能、自动驾驶、夜视等现代信息技术的发展，对光电探测提出了越来越高的要求。一个”理想”的光电探测器需要同时具备三项能力：宽波段响应、媲美甚至超越生物视觉的灵敏度，以及可用于大面积、低成本量产的可规模化集成。然而现有技术方案各有短板：硅基探测器主导可见与近红外波段，但响应在 1100 nm 以上被彻底截断；InGaAs 等窄带隙半导体虽能延伸到短波红外，却工艺复杂、与 CMOS 兼容性差；雪崩光电二极管灵敏度高，但通常需要 42 V 以上的高工作电压，难以片上集成与微型化。
更深层的限制来自材料本身。绝大多数高性能探测器依赖晶态半导体，其性能对材料结晶质量极为敏感，不仅质控要求苛刻、成本高昂，还往往需要 400 ℃ 以上的高温来克服结晶的激活能垒——而这会不可逆地损伤 CMOS 读出电路，严重阻碍集成。非晶材料本可提供低温制备、工艺简便、均匀性好、衬底兼容性强等优势，是与现有半导体制造及三维单片集成无缝衔接的理想候选；但传统非晶半导体载流子迁移率往往低于 1 cm²/(V·s)，且难以获得大面积、性能一致的均匀薄膜，长期停留在单器件演示阶段，无法走向可规模化的成像阵列。因此，如何找到一种既具备晶圆级均匀性、又能低温简便制备的探测材料，成为该领域悬而未决的关键难题。
成果简介
近日，广东工业大学郑照强教授、董华锋教授与深圳大学王冰副教授等人合作，报道了一种基于石墨烯/非晶 Sn 掺杂 WSe₂/硅（Gr/Sn-WSe₂/Si）异质结的可规模化光电探测器阵列，为”全光视觉”提供了一个可与 CMOS 兼容的材料平台。相关成果发表于《Small》。
研究团队采用室温脉冲激光沉积（PLD）制备出 2 英寸晶圆级的非晶 Sn 掺杂 WSe₂ 纳米薄膜，工艺与后道（BEOL）集成高度兼容。得益于 Sn 掺杂引入的深能级陷阱态作为空穴存储中心，该非晶薄膜展现出超过 5.5 ns的超长载流子寿命，优于许多晶态与低维半导体。团队进一步将其集成为包含 300 个独立器件的 Gr/Sn-WSe₂/Si 异质结阵列，通过合理的器件结构设计实现了光生载流子的高效分离与提取。
器件在零偏（自供电）模式下即可实现 365–1550 nm的宽光谱响应。在 808 nm 下，噪声等效功率（NEP）低至 0.029 fW/Hz¹ᐟ²，比探测率（D*）高达 3.4×10¹⁴ Jones，超过人眼视网膜的灵敏度阈值，同时具备更宽的光谱；光开关比超过 10⁶，上升/下降时间为 18.3/27.2 μs。凭借这些特性，团队演示了宽光谱可视化、透视成像，以及在 0.88 nW/cm²超低辐照度下的星光级弱光成像；阵列还表现出优异的像素间均匀性，为下一代成像技术的实用化奠定了基础。
图注说明
图1 Sn-WSe₂ 纳米薄膜的合成与表征。（A）PLD 生长装置示意图。（B）SiO₂/Si 衬底上 2 英寸 Sn-WSe₂ 薄膜实物照片，表面均匀无缺陷。（C）高分辨 TEM 图，无晶格条纹，证实非晶结构；插图为对应的 SAED 图（弥散晕环）及径向强度曲线。（D）AFM 形貌图，均方根粗糙度仅 1.73 nm；插图为白线处高度轮廓。（E）Sn 3d、W 4f、Se 3d 的高分辨 XPS 谱，证实 Sn 在 W 位的替位掺杂且无相分离。（F、G）不同延迟时间下的瞬态吸收谱，呈现宽带基态漂白与激发态吸收信号。（H）635 nm 探测的载流子动力学及三指数拟合。
图2 Gr/Sn-WSe₂/Si 光电探测器阵列的结构与光响应特性。（A）已制备器件阵列的实物照片。（B）阵列局部光学显微图，各器件彼此隔离无粘连。（C）器件结构示意图（石墨烯顶电极、Sn-WSe₂、Si、In 背电极）。（D）代表性器件在零偏下 365–1550 nm 的时域光响应（功率密度 98.5 mW/cm²）。（E）不同 Sn-WSe₂ 薄膜厚度的光响应，60.22 nm 时最优。（F）808 nm 下有/无石墨烯顶电极的光响应对比。
图3 808 nm 光照下器件的光电性能指标。（A）暗态及不同光强下的 I–V 特性。（B）零偏、递增光强下的时域响应，暗电流仅 5.3 pA；插图为低功率区放大。（C）暗态下的噪声电流谱密度，低频呈 1/f 噪声、高频过渡到白噪声。（D）NEP 随功率密度的变化，最低 0.029 fW/Hz¹ᐟ²。（E）比探测率 D* 与光开关比随功率密度的变化。（F）响应速度，上升/下降时间 18.3/27.2 μs。
图4 性能对标与工作机制。（A、B）响应度与比探测率同商用硅探测器（Thorlabs FDS100A/FDS1010/FDS010）及已报道的硅基、WSe₂ 基、非晶材料器件的对比。（C、D）光子能量分别大于和小于硅带隙（1.12 eV）时，所提出的能带排布与光生载流子输运过程：内建电场驱动电荷分离，深能级陷阱俘获光生空穴形成长寿命载流子，从而增强光电流。
图6 弱光成像性能与阵列演示。（A）最小成像功率密度与其他已报道探测器的对标。（B）器件最小可探测功率与 NEP 同环境光水平（星光、月光、暮光）的比较，最小成像功率落入自然星光范围。（C）阵列成像配置示意图。（D）阵列在 808 nm 光照下直接重构出的”GDUT””LOVE””SYSU”图案，验证了其用于集成图像传感的可行性。
总结展望
该工作通过材料创新与异质结结构设计的协同，展示了一条可规模化制备高性能宽光谱光电探测器阵列的路线。室温 PLD 生长的非晶 Sn 掺杂 WSe₂ 薄膜兼具晶圆级均匀性与超长载流子寿命；Gr/Sn-WSe₂/Si 异质结借助界面内建电场与石墨烯顶电极的高效载流子收集，实现了自供电、365–1550 nm宽光谱、并达到 NEP 0.029 fW/Hz¹ᐟ²、D* 3.4×10¹⁴ Jones 的探测性能，超越了生物视觉的灵敏度极限。
在器件性能之外，团队还演示了高分辨宽光谱成像、穿透不透明障碍的透视成像，以及 0.88 nW/cm²超低功率下的星光级成像；阵列优异的像素均匀性使其无需复杂信号处理即可直接成像，与集成光子系统高度兼容。该成果同时突破了灵敏度、光谱范围与可制造性之间长期存在的取舍，既确立了一个融合非晶半导体与异质结工程优势的新材料平台，也为超越人眼与传统成像系统的”全光视觉”技术铺平了道路。
文献链接
Scalable Graphene/Sn-WSe₂/Si Photodetector Array With Broadband Response and Starlight Sensitivity for All-Light Vision（Small, 2026）
DOI：https://doi.org/10.1002/smll.74431
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