通过工程化势阱在 MoS2/Ge 双结光电晶体管中实现快速光生载流子倍增

在雾霾与黑暗中看得更清楚

想象一下车载摄像头、安全系统或医疗扫描仪能够像在晴天一样轻松穿透雾霾或无月夜——而不依赖笨重、昂贵的军用级传感器。本研究提出了一种新型超灵敏且响应迅速的光传感器，能够同时检测可见光和短波红外（SWIR）光——这一波段能穿透恶劣天气和黑暗。通过巧妙地叠层两种不同的半导体材料，作者构建了一个微小器件，在不牺牲速度的情况下放大入射光信号，为更清晰、更廉价、更可靠的成像系统提供了可能。

不可见光为何重要

短波红外光的波长约在 1 到 3 微米之间，其传播特性不同于人眼可见光：在雾霾中散射更少，并且可以利用夜空中微弱的自然光辉，从而在黑暗中提供更清晰的视野。因此，SWIR 摄像头在自动驾驶、医疗成像、半导体检测、天文学和人脸识别等领域很有吸引力。目前，许多此类应用依赖于一种称为 InGaAs 的合金探测器，这类器件需要在昂贵的衬底上生长，且除非借助额外电子学放大，否则灵敏度有限。人们也探索了更便宜、更灵活的材料，如石墨烯、量子点和一些新奇的薄层晶体，但它们往往依靠器件中随机的电荷陷阱来增强信号——导致响应迟缓，不适合快速成像。

构建更聪明的光陷阱

作者通过设计一个有意的“势阱”来容纳电荷，从而解决了速度与灵敏度之间的权衡，而不是依赖偶发缺陷。他们的器件将超薄层状二硫化钼（MoS2）与锗（Ge）组合在一起，锗是一种在光电和电子学中广泛使用的半导体。MoS2 擅长吸收可见光，而 Ge 对 SWIR 有很强的吸收；两者结合覆盖了宽广的波段。研究人员先在 n 型 Ge 上形成一层薄薄的 p 型区，从而在 Ge 内创建了一个微小结。然后将多层 MoS2 片放置在这层 p 型上，形成第二个结。共享的 p 型 Ge 区域实际上成为夹在 MoS2（发射极）和 n 型 Ge（集电极）之间的“基极”，类似于专为光设计的晶体管结构。

一个粒子如何触发许多电子

当光照射器件时，会在 MoS2 和 Ge 中产生电子-空穴对。由于叠层材料间能级的排列，大多数带正电的空穴被限制在 p 型 Ge 基极中，而带负电的电子则被拉向外部电极。随着空穴在基极中积累，它们降低了通常阻止电子从 MoS2 发射极进入 Ge 的能垒。这种能垒降低效应意味着单个光生空穴可以促成许多额外电子的流动，从而将电信号放大到远超直接光吸收所能产生的水平。关键在于，这个“陷阱”是构建在结的平滑能量景观中——而非随机缺陷——因此这些储存的空穴在光关断后迅速消失，器件不会出现长期残影。

跨谱段的快速、强信号

实验表明，这种双结光电晶体管同时实现了高增益和快速响应。在蓝色可见光（466 纳米）下，器件的响应度约为 7.6 安培/瓦——对应收集到的电子数超过入射光子数的二十倍以上，最大光电流增益接近 29。在对眼睛安全且适合夜视的 1550 纳米 SWIR 光下，器件仍然实现了强增益和约 4.7 安培/瓦的响应度。然而，两种波长下的响应时间都保持在百微秒量级，足以用于视频和快速扫描。作者甚至演示了在可见光和 SWIR 光照射下的简单 32×32 像素笑脸面罩图像，证实该传感器可以在宽波段内形成清晰图像。

这对未来相机意味着什么

通过有意工程化 MoS2 与 Ge 叠层微结构中电荷的存储与释放位置与方式，这项工作打破了光电探测器长期存在的妥协：你不再需要在速度与灵敏度之间做出选择。该器件像一个由光触发的晶体管，将微弱的光学信号放大为快速变化的大电流。由于 Ge 与类似 MoS2 的层状材料在原理上可以与现有半导体平台集成，这一方法有望带来体积小、相对低成本的可见光与 SWIR 双波段相机。这类传感器可提升自动驾驶的安全性、实现更温和更清晰的医学成像，并使先进的红外视力从专用的高端设备走入日常技术产品中。

引用: Park, Y., Jung, M., Jeong, H.B. et al. Fast photo-carrier multiplication by engineered potential trap in MoS₂/Ge double junction phototransistor. Sci Rep 16, 4885 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35134-z

关键词: 短波红外成像, 宽带光电探测器, MoS2 锗传感器, 高速光检测, 光电流增益