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。
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。
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。
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。
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。
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。
