微纳薄膜工艺提升柔性近红外探测器性能：弯折4000次仍保持稳定

2026-08-27

韩国材料科学研究院（KIMS）研究团队开发出一种高性能柔性近红外光电探测器。通过协同优化半导体材料的磷掺杂水平与器件内部电场，该探测器的光响应度提高约5.1倍，并在经历4000次弯折后仍能保持90%以上的初始性能。这项技术有望应用于可穿戴健康监测、柔性医疗传感、光通信、自动驾驶成像以及曲面电子设备。

解决柔性近红外探测的材料难题

近红外光虽然无法被人眼直接观察，却能以较好的穿透能力进入皮肤和生物组织，因此被广泛用于智能手表的心率和血氧监测、医学诊断、夜间成像及光通信。

不过，目前不少可穿戴设备仍采用安装在柔性基底上的刚性硅探测器，反复弯折时容易受到结构限制。柔性有机半导体和量子点探测器虽然提供了替代方案，但前者的耐久性往往不足，后者则可能因环境稳定性有限而出现性能衰减。

为解决这些问题，KIMS研究团队采用碲（Te）与n型氢化非晶硅（n-a-Si:H）构成异质结。其中，碲负责吸收近红外光并产生光生载流子，氢化非晶硅则帮助载流子向电极传输。

磷掺杂改善半导体微结构

研究人员在无色聚酰亚胺（CPI）柔性基底上，依次构建碲层、氢化非晶硅层、前表面场层和透明电极，形成可弯曲的多层光电探测结构。团队对非晶硅中的磷掺杂浓度进行精确控制，以减少材料内部缺陷并改善载流子传输。合理的掺杂能够调节非晶硅的微观结构与电子特性，降低载流子在移动过程中被缺陷捕获的概率。与开发全新的光吸收材料相比，这种方法主要通过优化现有半导体层的材料质量来提高性能，不需要对光敏层进行复杂改造，因而更有利于控制制造难度和成本。

内部电场减少信号损失

除了材料掺杂，研究团队还在透明电极与氢化非晶硅之间引入了前表面场（FSF）层。该结构能够重新分布器件内部电场，引导光生电子和空穴更高效地向电极移动，同时抑制载流子复合。由此产生的电信号损失得到降低，探测器的响应速度和灵敏度随之提高。

实验结果显示，与传统结构相比，新型探测器实现了：

光响应度提高约5.1倍
探测率提高约2.6倍
有效探测波段覆盖400至1600纳米
经过4000次弯折后，仍保持90%以上的初始光响应度

400至1600纳米的宽光谱响应意味着，该器件不仅能够探测近红外光，也覆盖部分可见光波段，可为多光谱柔性传感和成像系统提供更多设计空间。

兼容CMOS工艺，有利于规模化制造

这项研究的重要特点在于，性能提升来自半导体微结构与器件电场的协同设计，而不是依赖复杂的新型光敏材料。

氢化非晶硅是一种能够与常规CMOS半导体工艺兼容的无机材料，适合进行大面积沉积和批量制造。结合无机半导体的稳定性与柔性聚酰亚胺基底的可弯曲特性，该技术有望兼顾探测灵敏度、机械耐久性和制造可扩展性。

未来，研究团队将进一步推进大面积制造和低功耗运行技术，使该器件能够贴合人体皮肤、医疗器械或复杂曲面，并应用于柔性光电系统。实际商业化仍需继续验证器件的长期环境稳定性、批次一致性、封装可靠性及规模化生产良率。

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