松山湖实验室林生晃&太原理工李国辉等: 2D/3D异质结多维调控及其光电探测与智能传感应用

Band Engineering and Structural‐Geometrical Engineering in 2D/3D van der Waals Heterostructures for Advanced Photodetection and Intelligent Sensing

Miaomiao Yang, Kaiwen Gong, Yanxia Cui, Shaoding Liu, Guohui Li*, Shenghuang Lin*

Nano-Micro Letters (2026)18: 298

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02129-4

本文亮点

1. 从器件制造、器件性能和系统集成的角度阐述了2D/3D系统的应用潜力。

2. 探讨了高性能和智能2D/3D异质结光电探测器的实施策略，包括能带调制、界面工程、电场耦合和几何/结构设计。

3. 全面讨论了不同调制策略的各自优势和协同作用。

研究背景

随着信息时代的快速发展，器件集成度与智能传感的需求日益提升。二维 (2D) 材料凭借其原子级厚度、量子限域效应及范德华层间耦合等独特的光电特性，成为极具潜力的光电平台。尤为重要的是，其表面无悬挂键的特性，使其能够与传统半导体、金属、电介质等各类材料实现无需晶格匹配的异质集成，为构建紧凑、新颖的智能传感技术开辟了新路径。然而，2D材料极短的光与物质相互作用长度限制了其在强光-物质相互作用场景下的应用。相比之下，三维 (3D) 材料在体几何尺度上具备更灵活的相互作用长度调控能力。鉴于2D材料在性能与制造工艺上尚无法局部替代传统半导体 (如硅等)，将其与3D半导体进行异质集成能有机结合2D材料的独特光电特性与3D半导体成熟的电子功能，在未来智能光电子应用领域更具现实意义。

内容简介

松山湖材料实验室林生晃&太原理工大学李国辉系统分析了2D/3D异质结的应用优势，全面总结了当前的研究进展，涵盖常规与功能性3D半导体纳米膜，并梳理了其光电探测器的主要性能调控策略，包括能带结构设计、界面优化、电场耦合及几何/结构工程，详细分析了不同调制策略的核心要点与协同效应。在此基础上，回顾了2D/3D异质结在成像、智能机器视觉、逻辑运算及集成光电系统等新兴领域中的应用，突出了2D材料与成熟半导体平台之间的协同作用。最后，探讨了器件性能、结构设计、制备工艺及系统集成方面面临的挑战与未来发展方向。

图文导读

I 2D/3D异质结的应用潜力

如图1所示，2D/3D异质结在多个维度展现出独特优势。3D材料成熟的大面积、高均匀性制备工艺有效降低了对精确层对准的依赖，使2D/3D集成成为连接前沿研究与工业应用的可行过渡策略，并且2D材料优异的电学与光学特性可与3D半导体成熟的器件架构及稳定的体材料性能形成协同互补，为器件调控引入更高维度的设计空间，可在不显著增加结构复杂度的前提下引入偏振探测、可重构光响应、智能机器视觉等新颖功能。同时，三维半导体纳米薄膜及其转移技术的快速发展，进一步推动了基于范德华异质集成的逐层堆叠架构。通过将半导体沟道、栅介质、电极、CMOS电路、存储单元及光电二极管阵列等预制功能层依次堆叠，并以垂直互连方式实现层间连接，可构建高度集成的异质堆叠系统。

图1. 2D/3D系统与体材料和2D/2D系统在功能，集成方面的比较。

II 2D/3D异质结的调制策略

早期对2D/3D异质结光电探测器的研究主要集中于拓展波长探测范围，通过利用2D材料丰富且可连续调谐的材料库，开发宽谱探测器，已实现工作于10.6 μm的室温红外探测器阵列。然而，随着应用场景日益复杂、环境条件更加多变，传统固定光谱响应范围的探测器暴露出局限性，在复杂背景与强噪声下难以有效区分目标与背景。为突破这些瓶颈，多光谱以及片上偏振敏感探测技术不仅提升了抗干扰能力，还揭示了不同波长下的本征光谱特征，提供了更丰富、更具判别力的信息维度。为了进一步实现小型化和促进芯片级集成，最近的研究推动了和传感器内计算架构的发展。除此之外，功能性3D材料 (如铁电体、强关联氧化物等) 在2D/3D异质结中不仅作为衬底，更通过界面多物理场耦合对2D材料实现主动调控。可调节2D材料的费米能级与载流子浓度，引入非易失性极化场，打破2D材料对称性，实现对能带结构、谷自由度及非线性光学响应的系统调控。随着纳米膜转移技术的发展，多种传统半导体 (如GaAs、InP、GaN) 及功能氧化物 (如BaTiO₃、LiNbO₃) 已实现与2D材料的范德华集成。

图2. 2D/3D异质结光电器件研究进展。

为实现高性能、多功能光电探测，从多个关键维度总结了2D/3D异质结的优化策略：能带结构工程，界面工程，电场耦合，结构几何工程。

图3. 2D/3D异质结光电器件关键调控策略。

III 能带结构工程

能带工程是提升器件光电性能的基础。不同的能带对齐方式可实现宽谱、光谱选择响应以及隧穿辅助的亚带隙光响应，突破传统半导体带隙限制。对于2D半金属 (如石墨烯、MoTe₂、MXene等)，其无带隙结构支持宽带光响应，但暗电流大、弱光吸收等问题可通过构建肖特基结引入内建电场加以改善，并结合界面隧穿、热载流子效应等实现高增益与快速响应。异质结能带对齐类型 (Type-I/II/III) 直接决定载流子运动方式。Type-I型适合波长选择性探测，Type-II型通过空间分离载流子实现高速、宽带探测，Type-III型则可利用隧穿机制实现超快电荷转移。能带工程的最终性能还受到二维材料厚度、界面缺陷等因素的综合影响。

图4. 2D半金属/3D异质结构光电探测器的性能比较。

图5. 基于二维半导体的异质结光电探测器。

IV 界面工程

在理想情况下，异质结的带对齐由组成材料的功函数、电子亲和能和带隙决定。然而，在实际器件中，界面不可避免地受到缺陷态的影响，导致费米能级钉扎与能带重构，使实际势垒高度和能带弯曲偏离理论预期。为此，界面工程成为调控器件性能的关键补充，界面工程不仅能够调制层间相互作用，还能有效调节界面处的载流子转移动力学。通过引入超薄钝化层或隧穿层，可有效降低界面态密度。同时，界面工程抑制了界面重组和泄漏电流，导致噪声的显著降低，而不会显著影响光载流子注入效率。这一优势在红外和弱光探测中尤其明显 (其中器件性能往往受到噪声的限制)。需要注意的是，界面工程的有效性对界面层的厚度高度敏感。过厚的层引入额外的隧穿势垒，阻碍载流子传输并降低响应速度，而过薄的层不能提供足够的缺陷钝化，需要优化以平衡界面质量和传输效率。界面电荷的空间分离以及库仑耦合在控制载流子动力学和调制光响应极性方面也发挥至关重要的作用。 

图6. 界面工程对器件性能的影响。

V 电场耦合

在静态能带设计基础上，电场耦合为器件带来了动态可重构能力。利用2D材料的原子级厚度与强静电调制特性，通过外电场可动态调控异质结的费米能级、肖特基势垒高度及耗尽区宽度。如图7所示，通过将异质结结构设计与外场耦合相结合，利用光调制阈值可控性、可调响应方向性和波长选择性光响应，可实现基本逻辑或传感器内计算功能。如图8所示，外场还可用于驱动非易失性存储或相变开关过程，赋予器件可编程能力，推动光电系统从静态高性能向动态可重构、智能化方向发展。这些先进的传感器能够直接在传感前端执行视觉计算任务，包括噪声抑制、卷积运算、特征提取、物体识别和模式分类，从而降低数据传输要求和能耗。

图7. 电场对器件性能的调制。

图8. 载流子分布和探测状态的动态调制。

VI 几何/结构工程

几何/结构设计为2D/3D异质结引入了空间维度的调控。3D材料的微纳结构可精确调控光-物质相互作用、载流子动力学及设计器件功能。将2D材料转移至设计的微纳结构上，能够有效增强光吸收与光电流响应，拓展光谱探测范围，实现对偏振等多维度光场信息的高效获取。3D半导体的几何设计不仅能主动调节光响应，还可引入梯度应变，通过能带调制增强载流子分离驱动力，形成激子漏斗、位点可控单光子发射等效应。

图9. 几何结构设计对器件性能的影响。

VII 不同调制机制的协同作用

各策略在作用机制与实现路径上各有侧重。能带结构工程聚焦于材料本征属性的源头设计，通过对2D材料与3D半导体能带排列的系统设计，优化载流子的产生、分离与输运过程，为器件性能奠定基础。界面工程着眼于异质结界面的实际接触质量，通过引入超薄钝化层、隧穿层或功能中间层来实现的界面工程可以有效降低界面态密度并缓解费米级钉扎，从而恢复或精确调整预期的能带对齐。然而，仅靠界面工程往往不足以同时实现低暗电流、高载流子分离效率和快速响应速度。载流子分离效率主要受能带的空间分布支配，而界面缺陷和势垒调制严重影响载流子提取效率。因此，界面工程和能带工程的协同优化是增强异质结器件整体光电性能的关键。这种协同优化依赖于通过合理的材料选择、缺陷工程和界面钝化对能带对准和界面质量的精确控制。例如，在II型异质结中，钝化层的引入可以进一步抑制界面复合并增强内置电场，从而协同提高响应速度和探测率。在肖特基型结构中，超薄界面层的插入在异质结界面引入了额外的隧穿势垒，载流子注入需要通过隧穿进行。因此，即使是纳米级厚度的界面层，也可在暗态下显著抑制热发射主导的载流子注入，从而降低暗电流。

能带结构静态设计在功能可重构性与动态可调性方面存在固有局限。相比之下，电场调控通过栅压或外电场赋予单一器件动态可重构能力，在功能灵活性与实时调控方面具有显著优势。结构几何工程则开辟了光场调控的新维度，可实现局部能带调制与位置依赖的光载流子分布，打破传统平面器件的设计约束，在空间域中对光谱响应、光电流分布及功能行为实现可编程控制，尤其适用于多维信息采集等应用场景。然而，也面临制备复杂度高、器件均匀性差及大面积可扩展性不足等挑战，亟需与成熟的微纳加工技术及规模化制造工艺深度融合。

VIII 基于2D/3D异质结的应用

2D/3D异质结光电探测器在成像、智能机器视觉、逻辑运算、集成光电系统等领域展现出广阔应用前景。

8.1 成像

Si集成电路技术历经数十年发展，已形成高度成熟、可靠的技术体系，具备支持大规模制造与超大规模集成的能力。因此，硅基光电探测器及其他兼容CMOS工艺的新型光电探测器被视为主流候选方案。与传统光活性材料相比，新兴二维材料在工艺兼容性、可扩展性、光谱探测范围及灵敏度等方面展现出显著优势，如图10所示。鉴于非硅光活性材料与硅集成电路集成时面临诸多挑战，石墨烯及相关2D材料所体现出的独特优势，突显了将其纳入下一代微电子器件与传感器阵列的重要意义。尽管二维/三维异质结光电探测器在单像素性能与小规模阵列方面取得了显著进展，但其在成像应用中仍面临若干挑战。首先，器件均匀性与可扩展性不足制约了高分辨率焦平面阵列的发展，与商用兆像素级InGaAs或HgCdTe阵列相比仍存在较大差距。

图10. 2D/3D异质结在成像中的应用。

8.2 智能机器视觉

为突破传统视觉系统“感知-存储-计算”分离架构在数据传输能耗与延迟方面的瓶颈，具备传感器内计算能力的类脑图像传感技术应运而生，成为智能视觉领域的重要发展方向。通过将计算功能前移至感知端，该类器件可在模拟域直接完成信号处理与特征提取，大幅降低后端处理负担。研究者基于2D/3D异质结器件，发展出多种传感器内计算架构，包括边缘特征的实时提取，神经网络计算等，这些技术将传感与计算深度融合，为面向边缘计算、自动驾驶、智能监控等复杂场景的高效、低功耗智能视觉系统奠定了硬件基础。

图11. 2D/3D异质结在智能机器视觉中的应用。

8.3 逻辑运算

随着人工智能与高性能计算对算力需求的持续攀升，传统电子逻辑电路在器件微缩过程中面临功耗、延迟与热效应等日益严峻的挑战。光子器件凭借低功耗、高带宽及天然并行处理能力，为突破这些瓶颈提供了全新路径。基于2D/3D异质结的光电探测器，利用其双极性光响应特性，在单个器件上实现了从基本逻辑门到复杂逻辑运算的集成。通过波长与功率的可调调控，构建AND、OR、NOT、NAND、NOR等光电逻辑门，并通过级联实现复杂组合逻辑，大幅减少晶体管数量，显著提升集成密度与能效。进一步地，通过拓展至连续、对称、超宽可调的功率调制模式，器件可在正负响应之间线性跨零切换，支持更大规模计算矩阵。

图12. 2D/3D异质结在逻辑运算中的应用。

8.4 光电集成系统

传统芯片使用金属互连进行数据传输，但随着集成密度的提高，这些互连面临信号延迟和功耗等重大挑战，这阻碍了计算性能的进一步提高。片上光学互连被认为是未来增强单芯片计算性能的途径之一。光电集成系统的实现一直受到不同器件组件所需的不同材料之间晶格失配的阻碍。尽管单片光电集成系统已经使用标准Si互补式金属氧化物半导体铸造工艺进行了演示，但制造的光电探测器的性能仍然有限，并且难以与基于化合物半导体的光电探测器竞争。由于其内在特性，2D材料正在成为硅光子学领域的一个重要发展方向，有望为片上光互连系统带来多重优势，包括高性能、低功耗、宽带、紧凑结构和工艺兼容性，具有高载流子迁移率的单层石墨烯已经与硅光子集成，展示了高带宽。针对2D材料本征光响应度较低的挑战，发展了等离激元增强、微环谐振腔、扭曲双层石墨烯等多种增强策略，有效提升了探测器的响应速度与带宽。在此基础上，进一步将光电探测与计算功能融合，利用电可调响应度实现模拟乘加运算，构建片上传感器内计算系统，成功完成图像预处理、手势识别等任务，实现了光子传感与神经网络计算的单片集成。这些进展共同展示了2D材料与硅光子平台异质集成在构建高性能、多功能光电集成系统方面的巨大潜力。

图13. 2D/3D异质结在光电集成系统中的应用。

IX 总结与展望

本文系统地分析了2D/3D异质结的应用优势，并全面总结了当前2D/3D异质结的研究进展，包括常规和功能3D半导体纳米膜。进一步提供了不同调制策略的详细分析和讨论，全面梳理了从高性能光电探测到智能感知系统应用的最新进展。

从商业化角度来看，2D/3D异质结在走向实际应用的过程中仍需在多方面持续突破。最基础的是发展大面积、高质量、可控制备技术，优化界面工程策略，并开发与CMOS工艺兼容的低温集成流程。另一方面，需深入探究2D/3D异质结界面电荷转移动力学、缺陷态调制等基础物理机制，发展具备原位数据处理能力且与系统集成兼容的新型智能光电传感架构，推动从单个器件向模块化、芯片级乃至系统级实现的转化。从器件集成角度来看，需要发展针对2D材料特性的电路设计与封装策略，增强器件在实用环境下的稳定性，同时优化高精度2D材料转移和对准技术，以最大限度降低晶界、厚度不均匀性和应力对器件性能的影响。

图14. 研究进展与未来发展趋势。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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