“光电探测器”专题导读

光电探测器是现代光电技术的核心,具有高灵敏度、高分辨率、宽波长响应范围等优点,广泛应用于光通讯、光计算、医疗、安防、航空航天、环境监测等领域。光电探测技术的集成化和智能化已成为当前的发展趋势,通过与先进的信号处理算法和人工智能技术相结合,光电探测系统能够实现更高的自动化和智能化水平。随着微电子技术的进步,光电探测器和成像系统的微型化、便携化也成为可能。现阶段国内光电探测器蓬勃发展,基于新型材料和结构的红外探测器、可见光探测器、紫外探测器等都取得了丰硕了成果。为了促进国内光电探测领域的学术研究和发展,加强相关研究学者之间的学术交流与合作,《光子学报》特别推出“光电探测器”专题,集中展示和探讨我国光电探测领域的研究成果和研究进展。本专题文章侧重红外探测器和紫外探测器中应用的多种新材料、新结构及器件新性能.

基于DBR增强的850 nm GaAs/AlGaAs单行载流子光电探测器

高速850 nm GaAs/AlGaAs面入射型单行载流子光电探测器(PD)是短距离光链路中的重要器件,面临着带宽和响应度之间的相互矛盾。报道了一种基于分布布拉格反射器(DBR)增强的GaAs/AlGaAs单行载流子光电探测器(UTC-PD)。DBR由20个周期的高/低Al组分的Al_(x)Ga_(1-x)As三元合金组成,可以在830~870 nm范围内形成大于0.9的反射。在AlGaAs DBR的增强下,将GaAs吸收层所需的厚度降低到1 040 nm,兼顾PD对光的吸收率和光生载流子的渡越时间。采用双台面、聚合物平面化、共面波导电极结构制作了UTC-PD器件。该器件在850 nm波长、-2 V偏压下具有19.26 GHz的-3 dB带宽和0.492 6 A/W的响应度。

光通信中的主流光电探测器研究

对光通信系统解复用接收部分中的关键器件——主流光电探测器进行综合比较、优缺点分析与展望.分别对PIN光电探测器,普通雪崩二极管,超晶格雪崩二极管,波导型光电探测器,振腔增强型光电探测器,金属-半导体-金属光电探测器的原理和特点做了简要概括,并做系统比较,最后对光电探测器发展前景进行展望.

基于InSe/MoTe_(2)异质结构的超灵敏宽光谱光电探测器

基于光栅效应的二维材料垂直结构可实现高灵敏度和宽光谱光探测器。本文报告了一种基于硒化铟(InSe)/二碲化钼(MoTe_(2))垂直异质结构的高灵敏度光电探测器,该探测器在365~965 nm波长范围内具有出色的宽光谱探测能力。顶层的InSe用作调节沟道电流的光栅层,MoTe_(2)则用作传输层。通过结合两种材料的优势,该光电探测器的响应时间为21.6 ms,比探测率在365 nm光照下可以达到1.05×10^(13)Jones,在965 nm光照下也可达到109 Jones数量级。外量子效率可达1.03×10^(5)%,显示出强大的光电转换能力。

钙钛矿基宽谱带光电探测器

钙钛矿材料凭借可调带隙、高光吸收系数和低激子结合能等优势,在半导体光伏和光电探测领域大放异彩。普适性的铅基钙钛矿吸收范围通常集中在UV到Vis区域,而窄带隙的纯锡基或者锡铅混合钙钛矿其吸收光谱仍局限于~1060 nm以内的近红外范围,受限于未来复杂场景的应用及探测成像。通过将钙钛矿与窄带隙半导体结合构建“钙钛矿/半导体”复合异质结可以进一步扩展光谱范围并提高吸收效率。本综述总结了钙钛矿基宽谱带光电探测器在探测性能优化、单体材料优异性能、复合材料优选工程等方面的进展,并探讨了宽谱探测器在光谱响应、像素集成、柔性器件开发和稳定性等方面的进展和应用前景。本综述将有助于推动钙钛矿基宽谱带光电探测研究及其未来成像应用。

宽波段响应硅雪崩光电探测器研究

本文基于目前对宽波段探测器的应用需求,设计了一种在250~1100 nm范围有较高响应的硅雪崩光电探测器(Si APD),不需要拼接即可实现紫外-可见-近红外波段光的高效探测。分别对硅的紫外增强和(近)红外增强进行了分析,在此基础上,为获得宽波段响应Si APD,对器件结构进行模拟设计,采用光背入射等方式,提高短波吸收,同时保证近红外吸收。模拟优化的Si APD器件峰值波长940 nm左右,在250 nm和1100 nm处响应光电流均超过峰值的15%,这种结构的器件适用于多光谱及未来高精度探测等应用领域。

基于手性超表面的宽波段圆偏振光电探测器的仿真设计

针对用于检测圆偏振光的超紧凑光电探测器的工作波段大多分布在近红外及中红外且工作波段较窄的问题,设计了一种具有较宽工作带宽的圆偏振光集成光电探测器。该探测器由石墨烯与手性超表面集成,当不同圆偏振光作用在手性超表面上时,会产生不同程度的近场光学增强,利用手性超表面在较宽波段下的强偏振依赖性来增强探测器的偏振选择性。通过时域有限差分(FDTD)仿真及优化超表面结构,手性超表面在波长为577~797nm波段内的圆二色性≥0.18。设计的圆偏振光电探测器主要工作在可见光波段,工作带宽可以达到约220nm。该探测器的设计为单一片上偏振计检测更宽波段的圆偏振光提供了新的设想。

单片集成式高响应光电探测器件设计

针对光电探测单元与标准工艺兼容、单片集成与工艺技术融合难度大等问题,文章基于互补双极标准工艺设计了单片集成式高响应光电探测器件,采用光电探测器和信号处理电路单片集成方案,开展高响应光电探测单元和低延迟高速率信号处理电路的设计与仿真,实现了器件的单片集成、工艺技术融合和高响应光电探测。测试结果表明,该器件光电响应特性和信号处理功能正常,实现了高响应(峰值响应达到0.462 A/W)、快数据输出速率(最大达12 Mbd)、低传输延迟(小于41.8 ns)、低输出逻辑电平(0.15 V)、低输出漏电(小于1.5μA)等光电探测要求。所设计的器件整体技术性能优异,可满足小型化、高集成、低成本的光电探测系统应用要求。

基于模式识别技术的光电探测器故障辨识研究

当前光电探测器故障辨识错误率高,为提升光电探测器故障辨识效果,设计了基于模式识别技术的光电探测器故障辨识方法。首先采集光电探测器状态信号,并从光电探测器状态信号中提取特征,然后利用主成分分析算法对特征进行降维处理,得到最优光电探测器状态辨识特征,最后将光电探测器状态特征作为支持向量机的输入,光电探测器状态作为支持向量机输出,通过支持向量机学习设计光电探测器状态辨识器,实验结果表明,本方法可以有效辨识光电探测器辨识故障,光电探测器故障辨识正确率超过了90%,光电探测器故障辨识时间控制在20 ms以内,为光电探测器状态分析提供了理论依据。

Ga_(2)O_(3)基新型结构光电探测器的制备与测试

由于衬底的限制,目前Ga_(2)O_(3)基垂直结构器件的研究仍然十分有限,这极大地制约了新型多样化Ga_(2)O_(3)基器件的发展。本文采用先进的湿法转移技术和激光分子束外延(laser molecular beam epitaxy,L-MBE)技术,解决无法在MoTe_(2)生长单一取向Ga_(2)O_(3)薄膜的问题,成功制备出高性能的Ga_(2)O_(3)/MoTe_(2)异质结光电探测器,并对其光电性能进行了系统测试与分析。结果显示,该探测器具有出色的整流特性,其雪崩增益、响应度及外量子效率在-51 V反向偏压下分别达到171.767、183.348 A/W和(8.966×10^(4))%,展现出在日盲光电探测领域的巨大应用潜力。本研究不仅为制备高性能光电探测器提供了新方法,也为新型光电材料和器件结构的探索提供了重要参考。

TDLAS气体激光遥测高灵敏光电探测电路设计

针对气体激光遥测光信号微弱、环境因素干扰强等特点,结合波长调制技术,设计和研究了用于TDLAS激光遥测的高灵敏度光电探测电路(Highly Sensitive Photoelectric Detection Circuit,HSPDC)。基于波长调制技术,确定了TDLAS信号噪声抑制方法;采用光电二极管理想模型,分析了光电探测电路的线性响应特性并确定了光电二极管的关键参数;基于级联放大原理设计、仿真并对HSPDC进行测试。结果表明:所设计HSPDC的光功率检测下限为0.11 nW,信号衰减仅为0.79 dB(f=10 kHz),截止频率较现有108 V/A跨阻放大电路高一个数量级,可用于高速调制微弱光信号的探测。搭建了气体激光遥测系统,当调制频率为3 kHz时,激光遥测系统获得了良好的检测性能,检测灵敏度达到88.66 mV/ppm,检测限优于0.565 ppm,线性拟合度R2为0.9996。研究表明,研制的HSPDC光电探测电路具有响应速度快、检测灵敏度高等优点,可集成化,能满足气体激光遥测应用需求。

不同结构及新型材料在硅基光电探测器上的应用展望

硅基光电探测器是硅光子集成电路中的核心器件,在导弹制导系统中起着高效探测目标并精确跟踪目标的关键作用。本文综述了国内外关于硅基光电探测器的研究进展和应用前景,并探讨了不同结构和材料对探测器性能的影响。通过回顾相关文献并分析研究成果,重点关注了PIN结构、肖特基结构、GeSn材料和二维材料在硅基光电探测器中的应用情况。随着研究的深入,硅基光电探测器的响应速度和灵敏度得到了显著提高,并且实现了对从紫外波段到红外波段宽范围内的探测需求,旨在提高硅基光电探测器的响应度、缩短响应时间和降低暗电流的同时,探索新的结构和材料,以进一步拓展硅基光电探测器在红外成像和光通信系统等领域的应用范围。

耦合石墨烯光电探测的傅里叶红外光谱仪研制

傅里叶变换红外光谱(Fourier Transform Infrared Spectrometry,FTIR)分析技术凭借其在红外波段中高灵敏度和高分辨率的表征能力,已经成为药物开发、材料研究、化学分析等领域最重要的光谱学表征手段之一。随着综合探测技术的不断进步,FTIR面临着进一步提升光谱分析能力以及轻量化、集成化的发展需求。基于石墨烯的光电探测器具有超宽谱的光电响应范围、超快的光电响应速度、微米级的探测器特征尺寸以及与其他材料耦合的高兼容性,在高性能集成化FTIR光谱仪技术开发中表现出极大的应用潜力。利用高精度纳米位移台取代复杂的参考光路,结合石墨烯光电探测器,实现了基于石墨烯光电探测的无参考光束FTIR光谱仪。通过实验进一步验证了无参考光束FTIR光谱仪的宽波段表征能力,实现了0.6 cm^(−1)的光谱分辨率和40 dB的信噪比,并准确表征了聚二甲基硅氧烷(PDMS)的特征吸收峰。研究结果证明了基于石墨烯光电探测的无参考光束FTIR光谱仪在提高光谱分析能力以及实现设备轻量化方面的优势,为FTIR分析技术提供了更具优势的开发与优化途径。

太阳光谱仪近红外光电探测系统设计

针对星载太阳光谱仪近红外波段信号微弱、易受外部环境干扰等特点,设计了一种基于InGaAs红外单元探测器的锁相放大光电探测系统。分析了探测系统的噪声特性,发现抑制前置放大器的电路噪声对于降低系统噪声至关重要。优化了前置放大器PCB布局布线,采用保护环+保护层+过孔防护等设计,加强了输入光电流信号保护与屏蔽。利用卤钨灯模拟在轨情况下的太阳光谱强度,进行了地面试验。结果表明,探测电路对入射光强度的响应线性度可达99.95%;测试波段各波长信噪比较上一代太阳光谱仪均有显著提升。

无机纳米颗粒及界面层协同改善倍增型近红外有机光电探测器性能

近红外有机光电探测器具有低成本、可溶液旋涂、生物兼容性好和柔性可穿戴等优势,在生物传感、医学成像、柔性可穿戴电子器件等领域有广泛的应用前景。倍增型有机光电探测器相比于二极管型有机光电探测器,因其具有更高的外量子效率(EQE>100%)和灵敏度而备受关注。该类器件利用电极附近被载流子陷阱捕获的一种载流子能辅助另一种极性相反的载流子从外电路隧穿注入到活性层中,实现光电倍增,但陷阱的数量在一定程度上会影响器件性能的进一步提升。本文通过在活性层中掺入无机ZnO纳米颗粒来增加电子陷阱数量,使得器件在反向偏压保持暗电流密度的前提下,亮电流密度得到提高。通过优化,发现当ZnO纳米颗粒掺杂比例为5%时性能最优,在850 nm LED照射、-15 V偏压下,与未掺杂ZnO纳米颗粒器件相比,亮电流密度提升了7.4倍。在此基础上,本文协同Al_(2)O_(3)界面修饰层,进一步改善器件性能。结果表明,Al_(2)O_(3)界面修饰层的插入可改善器件的阳极界面接触特性,使得器件在正向和反向偏压下都能够实现光响应。Al_(2)O_(3)修饰后的器件在15 V偏压、全光谱范围内,EQE最高可达10^(5)%,R最高达10^(4) A/W。本工作为高灵敏度有机光电探测器的发展提供了新的思路和方法。

硼酸表面处理对ZnxMg_(1-x)O量子点自驱动光电探测器性能的影响

氧化锌材料(ZnO)因其独特的物理和化学性质在自驱动光电探测领域中展现出巨大应用潜力。然而,目前基于ZnO材料的自驱动光电探测器存在结构复杂、响应时间长、响应度低等问题,难以满足实际应用需求。本文构建了一种结构简单、响应速度快的ITO/ZnO量子点(QDs)/Au光电探测器,并提出了一种硼酸(BA)表面处理结合退火的处理工艺,成功降低了ZnO QDs薄膜中的表面态密度,提高了器件光电性能。器件在0 V下响应时间约为1 ms,开/关比达到104,响应度达到8.81 mA/W。将这一工艺应用在Mg2+掺杂ZnO量子点基光电探测器中,同样提高了器件的比探测率和响应度,获得了具有0.93 ms上升时间的高响应速度自驱动光电探测器,Mg2+掺杂量越高,器件的上升时间越短。这项工作证实了BA表面处理结合退火处理工艺对化学合成的ZnO材料性能具有普遍提升作用,有望广泛应用于ZnO基紫外光电探测器的性能优化中。

金属氧化物异质结光电探测器研究进展

金属氧化物(metal oxide,MO)因其具有易于制备、高稳定性、对载流子的选择性传输等优点,被广泛应用于光电探测领域。MO材料具有较强的光吸收,但表面效应和缺陷态等问题导致了MO光电探测器响应速度低和暗电流较大的问题。异质结中的内建电场可以有效促进光生电子-空穴对的分离,从而提升器件响应速度和降低器件暗电流。因此,构建金属氧化物异质结光电探测器(heterojunction photodetectors,HPDs),对于MO在光电子领域的进一步应用具有重要的意义。本文先介绍了MO的界面性质,然后围绕PN、PIN和同型异质结3种结构,对金属氧化物HPDs的工作机制进行了阐述。接着对响应波段在紫外-可见-近红外光区的、具有不同结构的MO/MO和MO/Si HPDs的性能参数进行了分析和比较,并讨论了金属氧化物HPDs的性能优化方法,最后对金属氧化物HPDs的发展进行了展望。

基于MXene-Si异质结光电探测器及其界面优化策略研究

针对二维(2D)/三维(3D)异质结光电探测器中,由无序界面状态引起的暗电流增大问题,提出了一种将MXene原位氧化为TiO_(2)的界面性能优化策略.通过氧等离子体处理MXene,制备了MXene/TiO_(2)/Si垂直异质结构,其中MXene作为透明电极,与n型Si形成肖特基接触,利用内建电场促进光生载流子的抽取与分离.利用截面元素表征与能带对齐理论对该异质结构进行分析,证明原位氧化引入TiO_(2)阻挡层,优化了MXene与Si的界面性能.测试结果表明,优化后光电探测器件暗电流降低了一个数量级,实现了470 nm波长光照下响应时间0.72 ms和光响应度高达524.8mA/W.

具有快响应速度和低暗电流的垂直MSM型CsPbBr_(3)薄膜光电探测器

卤化物钙钛矿具有优异的电学和光学性能,是光电子器件中理想的有源层候选材料,特别是在高性能光探测方面显示出更具竞争力的发展前景,其中全无机钙钛矿CsPbBr_(3)因其良好的环境稳定性而被广泛关注.本文报道了一种具有快响应速度和低暗电流的垂直MSM型CsPbBr_(3)薄膜光电探测器.由于采用垂直结构缩短了光生载流子的渡越距离,器件具有超快的响应速度63μs,比传统平面MSM型光电探测器提高了两个数量级.然后,通过在p型CsPbBr_(3)与Ag电极之间旋涂一层TiO_(2)薄膜,提升了界面光生载流子的分离效率,实现了钙钛矿薄膜与金属电极间的物理钝化,从而大大降低了器件的暗电流,在–1 V的偏压下暗电流只有–4.81×10^(-12) A.此外,该种垂直MSM型CsPbBr_(3)薄膜光电探测器还具有线性动态范围大(122 dB)、探测率高(1.16×10^(12) Jones)和光稳定性好等诸多优点.通过Sentaurus TCAD模拟发现,电荷传输层可以选择性的阻挡载流子传输,从而起到降低暗电流的作用,Sentaurus TCAD模拟结果与实验数据吻合,揭示了电荷传输层降低器件暗电流的内在物理机制.

2μm波段Ge-on-SOI光电探测器的TPA探测

【目的】随着光通信技术的快速发展,工作在传统通信窗口的光通信系统未来可能会面临通信“波段紧缩”的状况。而在2μm波段,空芯光子带隙光纤的损耗可以低至0.2 dB/km,掺铥光纤放大器(型号为CTFA)在2μm波段的增益峰值可达30 dB,这些高性能器件的出现使得2μm波段有缓解通信“波段紧缩”的潜力,同时也对制作难度小且利于大规模生产的2μm波段硅基光电探测器提出了需求。硅基光电探测器的工作波段扩展主要方案有采用具有可调谐带隙的Ⅲ-Ⅴ族材料、引入低带隙宽度材料作为吸收区和利用吸收区材料在2μm波段新的光吸收机制等。而Ge具有非常高的双光子吸收(TPA)系数(1225 GW/cm@2μm),并且Ge-on-绝缘体上硅(SOI)光电探测器结构兼容标准硅光器件制作工艺,具有制作难度较低和成本较低的优势,是2μm光电探测器的一种较优方案。文章的研究目的是验证Ge-on-SOI光电探测器利用TPA这一特殊光吸收机制实现2μm波段光电探测的可行性。【方法】文章基于Ge材料在2μm波段较高的TPA效应产生电流的物理机制实现了2μm波段的光电探测。理论上,对Ge材料通过TPA效应产生的光生电流大小进行了分析与讨论;在实验上,基于片上硅基器件有源测试系统对商用波导型Ge-on-SOI光电探测器的光输入端(光栅耦合器)施加经过掺铥光纤放大器放大后的高功率2μm波段输入光,并调整光纤与光栅的对准以及输入光偏振态以尽可能减少输入光传输到Ge吸收层的损耗,最终通过探针获取探测器的TPA光生电流。【结果】在功率为21.9 dBm的2μm光信号输入下,该商用波导型Ge-on-SOI光电探测器在2μm波段产生了高至651 nA的TPA净光生电流,并近似获得了>10 mA/W的响应度。【结论】文章验证了通过Ge材料TPA效应实现2μm波段光电探测器的科学可行性,为基于TPA的2μm波段Ge-on-SOI光电探测器的设计提供了实验支撑。