光電探測器,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?

進入21世紀(jì),光電子技術(shù)進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)研宄通過操控光子的量子態(tài),為量子計算?量子通信等領(lǐng)域提供了新的可能性?同時,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?

光電探測器,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,人們對光電探測器的探測性能提出了越來越高的要求?未來的先進光電技術(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?

半導(dǎo)體光電探測器

光電探測器是一種能夠?qū)⒐?a target="_blank">信號轉(zhuǎn)化為電信號的設(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。

光電探測器的基本工作過程如下：

光照射到探測器的光敏材料表面，當(dāng)光子能量滿足一定條件時，光子的能量被材料中的原子或分子吸收，該過程導(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。在光電探測器的結(jié)構(gòu)中，通常存在電場或電勢差，促使自由電子朝著電場方向移動，移動的自由電子形成了電流。為了定量地衡量光電探測器的探測能力，可以通過測量不同條件下光電探測器的電流強度。通過測量電流的強度，可以得知光信號的強度及其他特征。

電流的變化可用于記錄光信號的強度、頻率和時域特性等。

光電探測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器。

這種設(shè)計和工作原理使得光電探測器在通信、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。在實際應(yīng)用中，光電信號可被進一步處理、放大或數(shù)字化，以便進行后續(xù)的分析、存儲或傳輸。光電探測器相當(dāng)于一種轉(zhuǎn)換器，通過將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，為各種應(yīng)用提供了重要支持。

光電探測器的分類及研究進展

為了適配更多的應(yīng)用環(huán)境，光電探測器可以分為很多種類。

按照器件結(jié)構(gòu)來分可以分為光電導(dǎo)型，肖特基型，異質(zhì)結(jié)型。

這些結(jié)構(gòu)的光電探測器都能夠?qū)崿F(xiàn)基本的光電探測功能，但根據(jù)其工作機制的不同，可以更清晰地對比各種類型光電探測器的性能和特點。

常見的光電探測器按工作機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器具備不同的性能特點并適用于不同的應(yīng)用場景，通過對光電探測器的多樣化分類和理解，可以更好地選擇和應(yīng)用于不同的實際場景，滿足各種光電探測需求。下面將按照工作機制對光電探測器進行分類并介紹。

光導(dǎo)型探測器具有簡單的結(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分別向電極兩端流動從而產(chǎn)生暗電流，當(dāng)器件受到特定頻率光照時，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，在兩端施加了一定的偏壓的條件下，電子空穴會分別向兩極移動，從而在整個電路中形成較大的電流。

該結(jié)構(gòu)中金屬和半導(dǎo)體材料之間因為沒有明顯的勢壘，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)生對稱的光電流。不過，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，僅通過增大兩端電壓去獲得較大性能指標(biāo)的方法實際并不可取。因此這種結(jié)構(gòu)簡單的光導(dǎo)型探測器大多用來探究半導(dǎo)體的基本性能，其基本結(jié)構(gòu)以及I-V測試特點如下圖所示。

不過，光導(dǎo)型器件可通過柵極調(diào)控以及聲表面波增強等方式提升器件的靈敏度。

光柵調(diào)控機制(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，對導(dǎo)電溝道進行調(diào)制，從而實現(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)在場效應(yīng)晶體管(FET)等器件上。

光照射后，光生電子空穴對會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制使得光柵調(diào)控機制在光傳感器、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，其缺點主要表現(xiàn)在強光下可能產(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，制備過程中需要考慮光敏材料的選擇和器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計等，以達到更好的性能。

利用聲表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)對光電器件進行增強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。

基本原理是通過將光波與聲表面波相互耦合，聲表面波傳播過程中對器件進行調(diào)制，從而實現(xiàn)對器件探測能力的增強。

這種光聲調(diào)制效應(yīng)可用于實現(xiàn)光信號的調(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器件的探測靈敏度。

不過這種調(diào)制技術(shù)需要更為復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)和制備工藝，才能實現(xiàn)對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，確保其在特定場景下的有效性。利用聲表面波對光電探測器的調(diào)制及增強效果示意圖如圖所示。

光伏型探測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，半導(dǎo)體吸收了光子能量，激發(fā)電子從價帶躍遷至導(dǎo)帶，形成電子－空穴對。

在光生伏特效應(yīng)中，半導(dǎo)體材料表面存在內(nèi)建電場，這導(dǎo)致光生電子和空穴被分離，并在電場的作用下形成電流。該類型器件產(chǎn)生的電流信號可被測量并用于光電探測。

在光電探測器中，光生伏特效應(yīng)已被廣泛應(yīng)用，尤其在太陽能電池領(lǐng)域。通過將光生電荷的分離和電場的作用結(jié)合，光生伏特效應(yīng)使得太陽能電池能夠?qū)⒐饽芨咝мD(zhuǎn)化為電能。該類型器件的優(yōu)點包括光電轉(zhuǎn)換高效及工作原理簡單。然而，其缺點主要在于對光譜范圍的敏感性相對較弱以及在弱光條件下的性能表現(xiàn)并不理想。

因此為了實現(xiàn)更好的性能，這類器件對于材料的選擇和器件設(shè)計等方面需要更加全面的考慮。

雪崩型探測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，反向電壓較小的時候器件基本不導(dǎo)通。而在反向電壓達到雪崩閾值電壓時，內(nèi)部光生電子和空穴受到高電場的強烈加速獲得了大量能量，通過碰撞電離在器件內(nèi)部形成大量電子空穴對，通過光生電子和空穴的雪崩式增殖，實現(xiàn)光信號的高度放大，其作用效果如同生活中的雪崩現(xiàn)象。

雪崩放大機制使得電信號得以放大，進而提高了光電探測器的靈敏度。在應(yīng)用中，雪崩型光電探測器(APD)被廣泛應(yīng)用于弱光環(huán)境下的光信號檢測，例如高速通信和光通信系統(tǒng)中的光接收端。

其優(yōu)點包括高增益、低噪聲和快速響應(yīng)速度，在弱光條件下具備卓越的探測性能。然而，雪崩型光電探測器的制備和維護相對復(fù)雜，對工作環(huán)境的穩(wěn)定性要求較高。

因此，在選擇和設(shè)計光電探測器時，需要綜合考慮其優(yōu)劣勢以滿足具體應(yīng)用需求。

雪崩型光電探測器在較短時間內(nèi)可以迅速形成極大的雪崩增益，其探測效果良好，因此有望在未來取代目前被廣泛應(yīng)用于微弱光探測的光電倍增管。

因此,在光電探測器的開發(fā)過程中,需全面整合新材料?新工藝?新機理和新方法,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器,以滿足更多復(fù)雜場景中的應(yīng)用需求?

硅基光電探測器是最早被廣泛應(yīng)用的光電探測器之一,其制備工藝簡單?性能可靠,在可見光和紅外光的響應(yīng)方面具有一定優(yōu)勢?但由于其禁帶寬度帶來的局限性,在日盲波段應(yīng)用時需要濾光片輔助?

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器在實際應(yīng)用中受到一定限制?

近年來,得益于先進的外延生長和氣相沉積技術(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?