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光陷阱理论在光电探测器中的应用

Application of photon-trapping theory in photodetectors

朱元昊，何力，窦秀明，伍绍腾，骆军委

物理学报, 2026, 75(12): 120401

doi: 10.7498/aps.75.20260351

cstr: 32037.14.aps.75.20260351

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文章导读

光电探测器是光通信、成像、传感与量子信息等领域的核心器件，近年来其性能提升受限于吸收层方面的矛盾需求：厚吸收层能提供高量子效率，却因光生载流子传输距离延长而拖慢响应速度，而薄吸收层虽能实现高速响应，却面临光吸收不足的困境。因此学界与工业界提出波导结构、表面等离子体激元结构和共振腔结构等人工微结构尝试实现用尽可能薄的吸收层实现近乎完全的光吸收，但各自存在结构复杂、对入射光方向或波长有特殊要求、耦合效率降低等问题。基于微纳柱/孔阵列的光陷阱（Photon-Trapping）增强型光电探测器，为突破上述限制提供了一条极具前景的技术路径(图1)。

图1 带有孔洞阵列光陷阱微纳结构的甚长波红外光电探测器的(a)结构示意图和(b)扫描电子显微镜(SEM)图像^[1]；带有微柱阵列光陷阱微纳结构的雪崩光电二极管的(c)结构示意图和(d) SEM图像^[2]

文章首先阐述了光陷阱技术的理论发展脉络。光陷阱概念发轫于光伏领域，理论方面的发展经历了从几何光学中的增强极限（4n²）到物理光学框架下的态密度调控，揭示了光陷阱通过慢光效应、光散射增强、导模耦合与共振增强等机制，在薄吸收层内实现等效光程的大幅增加。在此基础上，系统分析了光陷阱微纳结构对光电探测器多项关键性能的影响，包括对有效光吸收长度、量子效率、响应速度、增益的提升，对暗电流的降低等。之后进一步按器件类型梳理了光陷阱的实际应用，包括在金属-半导体-金属结构（MSM）探测器上实现的波长选择性增强，对pin二极管（PIN）探测器的响应范围扩展，在雪崩光电二极管（APD）探测器上实现的最大化雪崩增益，在单光子雪崩二极管（SPAD）探测器上实现的高增益低击穿电压等。在梳理光陷阱技术的理论与实验进展基础上，分析了光陷阱理论在光电探测器应用中所面临的现实产研困境与挑战，包括实际三维器件与二维简化及弱吸收极限假设理论模型之间的偏差，结构参数精确调控提出的制造工艺均匀性与可重复性要求等。最后对光陷阱理论在光电探测器中的进一步发展做出了预测与展望，随着微纳加工技术向更高精度发展、人工智能辅助光子结构设计日益成熟，光陷阱技术有望从单纯的吸收增强工具逐步演变为多功能光电器件的核心结构，在光通信、量子探测、红外遥感和生物成像等领域发挥不可替代的作用。

参考文献

[1] Deng K, Guo J X, Zhang K, Xiao Y L, Li Q, Zhang T, Guo D Z, He T, He Z P, Wang P, Li N, Hu W D 2025 Adv. Mater.37 2419382

[2]Chen D K, March S D, Jones A H, Shen Y, Dadey A A, Sun K Y, McArthur J A, Skipper A M, Xue X J, Guo B T, Bai J, Bank S R, Campbell J C 2023 Nat. Photonics17 594

作者简介

伍绍腾

中国科学院半导体研究所研究员，博士生导师

2018年博士毕业于中国科学院大学。2019—2021年相继在英国谢菲尔德及新加坡南洋理工等大学从事博士后研究。长期专注于硅基半导体材料与器件，已在硅基光源器件，探测器件，及晶体管器件等取得了一定成果，包括实现高探测率锗锡红外探测器、12英寸硅基锗锡LED发光器件、三维结构的硅锗Finfet及GAA器件。近年来发表 SCI论文40余篇，并获批国家自然科学基金面上及北京市自然科学基金面上等多个项目。

骆军委

中国科学院半导体研究所研究员，博士生导师，现任半导体芯片物理与技术全国重点实验室主任，计算材料和器件研究组组长

2006年在中国科学院半导体研究所获得博士学位。担任国家重点研发计划“物态调控”专项总体专家组成员和国家基金委十四五和中长期物理学科战略规划秘书组成员。在APS、ACS、E-MRS等重要国际会议上作邀请报告或分会主席，担任32 届半导体缺陷国际会议和22届多元化合物国际会议共同主席。长期从事后摩尔硅器件的前沿半导体物理研究，取得了系统性创新成果，包括提出的免于退极化效应的光学声子软化新理论为突破半导体器件功耗瓶颈带来新希望，为解决硅基发光难题设计出高效发光Si/Ge 超晶格并提出掺杂应变锗直接带隙发光的硅基发光原创方案，解释半导体形成直接带隙或间接带隙的统一理论已被广泛采用，提出了被认为将改写教科书的隐藏自旋极化新理论，启发了众多新隐藏物理的发现，提出了解决硅晶体管接触电阻瓶颈问题的理论方案等。已发表论文120余篇，论文总引用5500余次。

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