芯耀
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進(jìn)入21世紀(jì),光電子技術(shù)進(jìn)一步融合了量子光學(xué)?量子通信等前沿領(lǐng)域?
量子光學(xué)研宄通過(guò)操控光子的量子態(tài),為量子計(jì)算?量子通信等領(lǐng)域提供了新的可能性?同時(shí),納米技術(shù)的興起也為光電子技術(shù)注入新的活力,納米光子學(xué)?納米光電器件的研宄逐漸成為熱點(diǎn)?
光電探測(cè)器,作為光電子技術(shù)的核心,在信息轉(zhuǎn)換和傳輸中扮演著不可或缺的角色,其在圖像傳感和光通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?
隨著這些領(lǐng)域的快速發(fā)展,人們對(duì)光電探測(cè)器的探測(cè)性能提出了越來(lái)越高的要求?未來(lái)的先進(jìn)光電技術(shù)將朝著多學(xué)科交叉?多功能集成?多譜段覆蓋?多維度拓展以及多前沿探索的“五多”方向不斷發(fā)展?
一、半導(dǎo)體光電探測(cè)器
光電探測(cè)器是一種能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的設(shè)備，其工作原理基于光電效應(yīng)，即光的能量被吸收后激發(fā)電子產(chǎn)生電流。
光電探測(cè)器的基本工作過(guò)程如下：
光照射到探測(cè)器的光敏材料表面，當(dāng)光子能量滿足一定條件時(shí)，光子的能量被材料中的原子或分子吸收，該過(guò)程導(dǎo)致光敏材料中的電子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)。
激發(fā)態(tài)電子被釋放到導(dǎo)電帶，形成自由載流子。在光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)中，通常存在電場(chǎng)或電勢(shì)差，促使自由電子朝著電場(chǎng)方向移動(dòng)，移動(dòng)的自由電子形成了電流。為了定量地衡量光電探測(cè)器的探測(cè)能力，可以通過(guò)測(cè)量不同條件下光電探測(cè)器的電流強(qiáng)度。通過(guò)測(cè)量電流的強(qiáng)度，可以得知光信號(hào)的強(qiáng)度及其他特征。
電流的變化可用于記錄光信號(hào)的強(qiáng)度、頻率和時(shí)域特性等。
光電探測(cè)器的工作原理因其具體類型而有所不同，但其基本的光電效應(yīng)原理適用于各種類型的光電探測(cè)器。
這種設(shè)計(jì)和工作原理使得光電探測(cè)器在通信、醫(yī)學(xué)成像、遙感技術(shù)、安防監(jiān)控等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在實(shí)際應(yīng)用中，光電信號(hào)可被進(jìn)一步處理、放大或數(shù)字化，以便進(jìn)行后續(xù)的分析、存儲(chǔ)或傳輸。光電探測(cè)器相當(dāng)于一種轉(zhuǎn)換器，通過(guò)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，為各種應(yīng)用提供了重要支持。
二、光電探測(cè)器的分類及研究進(jìn)展
為了適配更多的應(yīng)用環(huán)境，光電探測(cè)器可以分為很多種類。
按照器件結(jié)構(gòu)來(lái)分可以分為光電導(dǎo)型，肖特基型，異質(zhì)結(jié)型。
這些結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器都能夠?qū)崿F(xiàn)基本的光電探測(cè)功能，但根據(jù)其工作機(jī)制的不同，可以更清晰地對(duì)比各種類型光電探測(cè)器的性能和特點(diǎn)。
常見(jiàn)的光電探測(cè)器按工作機(jī)制分類可以分為光導(dǎo)型、光伏型、雪崩型等。
這些不同類型的光電探測(cè)器具備不同的性能特點(diǎn)并適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，通過(guò)對(duì)光電探測(cè)器的多樣化分類和理解，可以更好地選擇和應(yīng)用于不同的實(shí)際場(chǎng)景，滿足各種光電探測(cè)需求。下面將按照工作機(jī)制對(duì)光電探測(cè)器進(jìn)行分類并介紹。
光導(dǎo)型探測(cè)器具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，它由金屬-半導(dǎo)體-金屬(Metal-Semiconductor-Metal,MSM)構(gòu)成,且金屬與半導(dǎo)體材料之間為良好的歐姆接觸，黑暗條件下，在金屬電極施加偏壓的情況下，半導(dǎo)體材料內(nèi)部少量的電子空穴會(huì)分別向電極兩端流動(dòng)從而產(chǎn)生暗電流，當(dāng)器件受到特定頻率光照時(shí)，半導(dǎo)體吸收了光子能量從而內(nèi)部出現(xiàn)大量電子空穴對(duì)，在兩端施加了一定的偏壓的條件下，電子空穴會(huì)分別向兩極移動(dòng)，從而在整個(gè)電路中形成較大的電流。
該結(jié)構(gòu)中金屬和半導(dǎo)體材料之間因?yàn)闆](méi)有明顯的勢(shì)壘，通常其I-V特性曲線表現(xiàn)為良好的線性，可在正負(fù)電壓作用下產(chǎn)生對(duì)稱的光電流。不過(guò)，這種結(jié)構(gòu)雖然具有很大的內(nèi)部增益，但是其響應(yīng)速度較慢，并不適用于高頻器件的制作。此外，從器件的性能上來(lái)看，想要得到較大的性能指標(biāo)，需要在兩極施加較大的偏壓，增加了器件的能耗。而且由于I-V特性曲線本身為線性的關(guān)系，僅通過(guò)增大兩端電壓去獲得較大性能指標(biāo)的方法實(shí)際并不可取。因此這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的光導(dǎo)型探測(cè)器大多用來(lái)探究半導(dǎo)體的基本性能，其基本結(jié)構(gòu)以及I-V測(cè)試特點(diǎn)如下圖所示。
不過(guò)，光導(dǎo)型器件可通過(guò)柵極調(diào)控以及聲表面波增強(qiáng)等方式提升器件的靈敏度。
光柵調(diào)控機(jī)制(Photogating)是指在光照作用下，吸收光子產(chǎn)生的電子或空穴處于陷阱態(tài)，這些電荷陷阱態(tài)可以作為局域光柵，對(duì)導(dǎo)電溝道進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)光控制下的電荷傳輸。在光電器件中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)等器件上。
光照射后，光生電子空穴對(duì)會(huì)影響晶體管通道中的載流子密度，從而改變通道電導(dǎo)率。這種控制電荷傳輸?shù)臋C(jī)制使得光柵調(diào)控機(jī)制在光傳感器、光調(diào)制器等器件中得到廣泛應(yīng)用。
此類器件的優(yōu)點(diǎn)包括光電調(diào)控靈活、超靈敏和快速的響應(yīng)速度等。然而，其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在強(qiáng)光下可能產(chǎn)生飽和效應(yīng)，導(dǎo)致響應(yīng)飽和以及一些光學(xué)噪聲。
此外，制備過(guò)程中需要考慮光敏材料的選擇和器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等，以達(dá)到更好的性能。
利用聲表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)對(duì)光電器件進(jìn)行增強(qiáng)是一種基于聲光耦合效應(yīng)的方法。
聲光耦合效應(yīng)常用于光聲調(diào)制器件和光聲表面波傳感器等領(lǐng)域。
基本原理是通過(guò)將光波與聲表面波相互耦合，聲表面波傳播過(guò)程中對(duì)器件進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)器件探測(cè)能力的增強(qiáng)。
這種光聲調(diào)制效應(yīng)可用于實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的調(diào)制和放大。除此之外，在有聲表面波耦合作用的傳感器中，聲波的引入使得器件對(duì)外界環(huán)境中的光、溫度或其他物理量更加敏感。從而可以提升不同類型探測(cè)器件的探測(cè)靈敏度。
不過(guò)這種調(diào)制技術(shù)需要更為復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)和制備工藝，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)聲表面波的高精度控制。因此，在具體應(yīng)用中需要平衡其優(yōu)劣，確保其在特定場(chǎng)景下的有效性。利用聲表面波對(duì)光電探測(cè)器的調(diào)制及增強(qiáng)效果示意圖如圖所示。
光伏型探測(cè)器利用的是光生伏特效應(yīng)。
當(dāng)光照射到半導(dǎo)體表面時(shí)，半導(dǎo)體吸收了光子能量，激發(fā)電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶，形成電子－空穴對(duì)。
在光生伏特效應(yīng)中，半導(dǎo)體材料表面存在內(nèi)建電場(chǎng)，這導(dǎo)致光生電子和空穴被分離，并在電場(chǎng)的作用下形成電流。該類型器件產(chǎn)生的電流信號(hào)可被測(cè)量并用于光電探測(cè)。
在光電探測(cè)器中，光生伏特效應(yīng)已被廣泛應(yīng)用，尤其在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域。通過(guò)將光生電荷的分離和電場(chǎng)的作用結(jié)合，光生伏特效應(yīng)使得太陽(yáng)能電池能夠?qū)⒐饽芨咝мD(zhuǎn)化為電能。該類型器件的優(yōu)點(diǎn)包括光電轉(zhuǎn)換高效及工作原理簡(jiǎn)單。然而，其缺點(diǎn)主要在于對(duì)光譜范圍的敏感性相對(duì)較弱以及在弱光條件下的性能表現(xiàn)并不理想。
因此為了實(shí)現(xiàn)更好的性能，這類器件對(duì)于材料的選擇和器件設(shè)計(jì)等方面需要更加全面的考慮。
雪崩型探測(cè)器的基本原理如圖所示：
異質(zhì)結(jié)間存在一定的內(nèi)置電場(chǎng)，反向電壓較小的時(shí)候器件基本不導(dǎo)通。而在反向電壓達(dá)到雪崩閾值電壓時(shí)，內(nèi)部光生電子和空穴受到高電場(chǎng)的強(qiáng)烈加速獲得了大量能量，通過(guò)碰撞電離在器件內(nèi)部形成大量電子空穴對(duì)，通過(guò)光生電子和空穴的雪崩式增殖，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的高度放大，其作用效果如同生活中的雪崩現(xiàn)象。
雪崩放大機(jī)制使得電信號(hào)得以放大，進(jìn)而提高了光電探測(cè)器的靈敏度。在應(yīng)用中，雪崩型光電探測(cè)器(APD)被廣泛應(yīng)用于弱光環(huán)境下的光信號(hào)檢測(cè)，例如高速通信和光通信系統(tǒng)中的光接收端。
其優(yōu)點(diǎn)包括高增益、低噪聲和快速響應(yīng)速度，在弱光條件下具備卓越的探測(cè)性能。然而，雪崩型光電探測(cè)器的制備和維護(hù)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)工作環(huán)境的穩(wěn)定性要求較高。
因此，在選擇和設(shè)計(jì)光電探測(cè)器時(shí)，需要綜合考慮其優(yōu)劣勢(shì)以滿足具體應(yīng)用需求。
雪崩型光電探測(cè)器在較短時(shí)間內(nèi)可以迅速形成極大的雪崩增益，其探測(cè)效果良好，因此有望在未來(lái)取代目前被廣泛應(yīng)用于微弱光探測(cè)的光電倍增管。
因此,在光電探測(cè)器的開(kāi)發(fā)過(guò)程中,需全面整合新材料?新工藝?新機(jī)理和新方法,力求創(chuàng)造出性能更精確?更高效?更快捷的超靈敏光電探測(cè)器,以滿足更多復(fù)雜場(chǎng)景中的應(yīng)用需求?
硅基光電探測(cè)器是最早被廣泛應(yīng)用的光電探測(cè)器之一,其制備工藝簡(jiǎn)單?性能可靠,在可見(jiàn)光和紅外光的響應(yīng)方面具有一定優(yōu)勢(shì)?但由于其禁帶寬度帶來(lái)的局限性,在日盲波段應(yīng)用時(shí)需要濾光片輔助?
此外,硅材料在高溫?高壓等極端環(huán)境的耐性較差,使得硅基日盲紫外探測(cè)器在實(shí)際應(yīng)用中受到一定限制?
近年來(lái),得益于先進(jìn)的外延生長(zhǎng)和氣相沉積技術(shù)的發(fā)展,除了硅(Si)?砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)等傳統(tǒng)材料外,碳化硅(SiC)?氮化鎵(GaN)?氧化鎵(Ga203)等寬禁帶半導(dǎo)體材料也逐漸受到關(guān)注?
好了，關(guān)于光電探測(cè)器的技術(shù)就介紹到這兒，歡迎關(guān)注《半導(dǎo)體全解》，帶你了解更多半導(dǎo)體技術(shù)！
(1)超靈敏日盲紫外探測(cè)器的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)[D] ?張清怡；
(2)InAs/GaSb類超晶格長(zhǎng)波紅外探測(cè)器制備研究[D] 許佳佳;
(3)InAs/GaSb類超晶格紅外探測(cè)器表面性質(zhì)研究[D] 崔玉容;
