探測器綜述論文(HIT)

1、探測器綜述目錄碲鎘汞光電探測器(Hg1-xCdxTe)2PbS多晶膜光電導探測器3銻化銦光電探測器4硅光電池6硅光電二極管6PIN硅光電二極管7雪崩光電二極管（APD）8硅光電池、三極管、二極管、PIN、APD性能參數(shù)對比總結(jié)10異質(zhì)結(jié)探測器11象限探測器12光電位置探測器（PSD）14量子阱光電探測器15結(jié)語16參考文獻17碲鎘汞光電探測器(Hg1-xCdxTe)1. 工作原理其中， Hg1-xCdxTe是由CdTe和HgTe組成的固熔三元化合物半導體，x表示CdTe所占的克分子數(shù)。這種三元化合物的成分可以從純CdT。到純HgTe之間變化。選擇不同的x值就可以制備出一系列不同禁帶寬度、不同響

2、應(yīng)波段的碲鎘汞材料，這種材料具有一些可貴的性質(zhì):電子有效質(zhì)量小，本征載流子濃度低等。2. 性能參數(shù)以實際產(chǎn)品為例進行分析：DMCT(x)-De系列碲鎘汞探測器液氮制冷型紅外探測器，波長范圍：222m型號/參數(shù)DMCT12-De01DMCT14-De01DMCT16-De01DMCT22-De01DMCT12-HS光敏面尺寸(mm)1×1 1×11×11×11×1波長范圍(m) 2-122-142-162-222-12峰值響應(yīng)度(V/W) 3x1031x103900150>4x104響應(yīng)時間(ns) <25D*(peak，1KHz)c

3、m Hz1/2W-1，Min3 x 10103 x 10102.5x 10105x 1093x 1010前置放大器ZPA-101ZPA-101ZPA-101ZPA-101集成信號輸出模式電壓電壓電壓電壓電壓輸出信號極性正（P）正（P）正（P）正（P）正（P）表1 DMCT(x)-De系列碲鎘汞探測器參數(shù)其中：DMCT(x)-De為液氮制冷型，x-12/ 14/ 16/ 22，四種截止波長可選，適合一般測量，須選配前置放大器；DMCT12-HS為液氮制冷高速響應(yīng)型，集成前置放大器，響應(yīng)時間小于50ns；為高速響應(yīng)探測器，集成了50MHz帶寬的前置放大器，用于紅外時間分辨測量，可直接接示波器使用，

4、光敏面尺寸為1mm，另有0.5mm和0.1mm可選，尺寸越小，響應(yīng)速度越快，最快可達到3.5ns；HgCdTe探測器的時間常數(shù)在1010秒量級。x0.2的HG0.8Cd0.2Te材料，可以制成響應(yīng)波長為 814微米大氣窗口的紅外探測器。它與工作在同樣波段的Ge：Hg探測器相比有如下優(yōu)點：工作溫度高（高于77K），使用方便，而Ge:Hg工作溫度為38K。本征吸收系數(shù)大，樣品尺寸小。易于制造多元器件。優(yōu)點：反向飽和電流小、噪聲低、探測率高、響應(yīng)時間短和響應(yīng)頻帶寬3. 使用條件碲鎘汞光電探測器在中波、長波和極長波紅外波段具有高靈敏度和波長靈活性，并具有多色能力。碲鎘汞還能在短波紅外波段工作。限制性：

5、由于碲鎘汞材料和基底軟而脆的特性，使器件的加工比較困難。材料和可利用的大面積基底的質(zhì)量對長波紅外和極長波紅外的大型碲鎘汞焦平面列陣有影響。雖然中波和長波紅外器件的這些問題大部分解決了，但對于極長波紅外和多色器件，特別是有多個p-n結(jié)暴露到表面時，仍是主要的問題。改善方式：基底的凈化、源材料、生長和工藝條件可以提高碲鎘汞器件的低溫性能。4. 應(yīng)用領(lǐng)域熱成象、CO2激光探測、制導、FTIR光譜學、夜視、激光預警接收、激光外差探測5. 發(fā)展趨勢由于HgCdTe紅外探測器的發(fā)明，使低溫目標（需要長波探測）的紅外探測成為可能。從原理上都可以取代前二類紅外探測器，因而這類探測器是西方先進國家競相發(fā)展，到目

6、前仍然重點發(fā)展的一類探測器，而且集中在第二代和第三代紅外探測器，這類探測器又分為4（6）×N線列焦平面和陣列焦平面，前者主要是技術(shù)相對后者更成熟，采用并掃技術(shù)可做到同等數(shù)量元數(shù)陣列焦平面更高性能，且價格要比陣列焦平面低，因而西方國家亦在發(fā)展之列，典型的4×288、4（6）×576、6×960等；陣列焦平面典型品種有128×128，256×256（或320×256），512×512（或640×480），1024×1024等。PbS多晶膜光電導探測器1. 工作原理 PbS 是一種直接躍遷的-族窄帶化

7、合物半導體材料，室溫下其禁帶寬度為0.41eV（對應(yīng)長波限0=2.952m），具有較大的激子玻爾半徑(18nm)，常溫常壓下晶格常數(shù)為 5.935nm，屬于 NaCl 型面心立方結(jié)構(gòu)，晶格為Pb和S組成的面心立方子晶格相互套構(gòu)而成，其配位數(shù)為6。以 PbS 多晶薄膜制作成近紅外探測器，這類器件主要利用了 PbS 的本征光電導效應(yīng)。2. 性能參數(shù)PbS的常用響應(yīng)波段在 13微米、35微米、814微米三個大氣透過窗口。35微米波段的探測器分三種情況：在室溫下工作，但靈敏度大大下降，探測度一般只有17×10厘米·瓦·赫；熱電致冷溫度下工作(約-60)，探測度約為10厘米

8、·瓦·赫;77K或更低溫度下工作，探測度可達10厘米·瓦·赫以上。PbS探測器的時間常數(shù)一般為50500微秒。與典型PIN結(jié)光電二極管相比，在紅外波段具有更高的探測能力和更好的線性響應(yīng)。3. 使用條件由于它們的禁帶寬度很窄，因此在室溫下，熱激發(fā)足以使導帶中有大量的自由載流子，這就大大降低了對輻射的靈敏度。響應(yīng)波長越長的光，電導體這種情況越顯著，其中13微米波段的探測器可以在室溫工作（靈敏度略有下降）。814微米波段的探測器必須在低溫下工作，因此光電導體要保持在真空杜瓦瓶中，冷卻方式有灌注液氮和用微型制冷器兩種。紅外探測有時要探測非常微弱的輻射信號，例如1

9、0 瓦；輸出的電信號也非常小，因此要有專門的前置放大器。4. 應(yīng)用領(lǐng)域NDIR光譜學、光學測溫、光譜學、濕氣分析。5. 發(fā)展趨勢 近年來國內(nèi)外很多研究機構(gòu)和個人從高質(zhì)量、高性能 PbS 薄膜這個需求著手，用許多新穎的制備方法制備出了性能優(yōu)良的 PbS 薄膜。2000 年古巴的E.M.Larramendi 等人用 CBD 法在玻璃基片上沉積了 PbS 薄膜，同時發(fā)現(xiàn)加入 Br-1離子到沉積溶液中會影響薄膜的表面形貌，進一步影響 PbS 薄膜的光電性能，光敏性能在平均顆粒尺寸 0.9um 時達到最佳。2001 年日本的 Tsukasa Torimoto 等人利用電化學原子層外延的方法，在 Au(1

10、11)基片上制備 PbS 薄膜，測試表明 PbS薄膜為立方巖鹽型晶體結(jié)構(gòu)，具有原子量級的平整度，其（200）晶面平行于基片表面。2001 年埃及的 S.M. Salim 等人利用 CBD 法，在玻璃基片上得到 p 型電導的硫化鉛薄膜，并研究了薄膜的微結(jié)構(gòu)。2002 年立陶宛 J. Puio 的等人在室溫和常壓下利用連續(xù)離子層吸附反應(yīng)(SILAR)在 Si 基片上制備硫化鉛薄膜，對薄膜的晶型、晶粒尺寸、微結(jié)構(gòu)、粗糙度與原子組成進行了詳細研究。2004 年印度的 Rakesh K. Joshi 等人利用 CBD 在玻璃、SiO2、Si 基片上制備 PbS 納米薄膜，發(fā)現(xiàn)隨晶粒尺寸的減小，薄膜的光學

11、帶隙增大。2007 年，我國空空導彈研究院光電器件研究所司俊杰等人用聯(lián)氨法制備的 PbS 薄膜，通過優(yōu)化沉淀、敏化過程，改善了 PbS 薄膜成分和形貌的均勻性，由改進后的薄膜所制備的光導 PbS 探測器，在大尺度（25mm）光敏元尺寸下，光電響應(yīng)的不均勻度由改進前的±50%減小為±25%。此外，2010年李國偉采用化學浴沉積（CBD）技術(shù)在玻璃基片上生長 PbS 光敏薄膜，并對薄膜在空氣中采取不同溫度進行敏化，通過比較 PbS 薄膜敏化前后的微結(jié)構(gòu)和光電導靈敏度找出了優(yōu)化的敏化溫度。同時通過分析敏化前后薄膜的成分，探討了薄膜敏化后光電性能大幅度提高的機理。在光敏面為3mm&

12、#215;3mm時，薄膜方阻R約為1M左右，光電導靈敏度 S 最大可達 100%，滿足紅外探測器對材料性能的要求。探測器對黑體的響應(yīng)度 R 可達 7.69×102V/W，比探測率 D*可達0.23×108cm·Hz1/2·W-1（500K，400，10）。并且在劇烈的環(huán)境溫度沖擊下，探測器也能正常工作。銻化銦光電探測器1. 工作原理 用窄帶半導體 InSb 可以制備光導型(PC)紅外探測器也可以制備光伏型(PV)紅外探測器。光導型探測器是一種最基本的光子型探測器。窄帶半導體吸收能量大于禁帶寬度的光子，使價帶的電子躍遷到導帶，在導帶中產(chǎn)生非平衡電子，在價帶

13、中留下非平衡空穴，于是就改變了樣品的電導率。電導率的改變與入射光子通量有關(guān)。光伏型探測器是當前非常重要的另一種光子型探測器。如果通過適當?shù)膿诫s，使得半導體材料的不同區(qū)域分別具有 N 型 P 型的導電類型，在兩者的交接面處就形成了 PN 結(jié)。激光輻射能量被器件吸收后，產(chǎn)生非平衡電子和空穴，它們或直接在 PN 結(jié)中產(chǎn)生，或在 P 區(qū)、N 區(qū)產(chǎn)生而擴散到 PN 結(jié)中，并在 PN 結(jié)的空間電場中運動，從而改變空間電場分布，產(chǎn)生光伏效應(yīng)，對外電路貢獻光電流。這就是光伏型探測器。光導型探測器宜于做成單元或線列，由于信號讀出問題，不宜做成二維陣列。光伏型探測器電壓輸出在 PN 結(jié)兩端，在芯片的上下兩方，因而

14、宜于做成大規(guī)模焦平面陣列探測器。2. 性能參數(shù)以實際產(chǎn)品為例：型號/參數(shù)DInSb5-De01DInSb5-De02DInSb5-De04DInSb5-De07DInSb5-HS光敏面尺寸(mm)12471×1（方）波長范圍(m)1-5.51-5.51-5.51-5.51-5.5峰值響應(yīng)度(A/W)3333-峰值響應(yīng)度(V/W)-2x 104響應(yīng)時間(ns)-<25D*(peak，1KHz)cmHz1/2W-11 x 10111 x 10111 x 10111 x 10111 x 1011NEP(peak，1KHz)pW/Hz1/20.81.636-暗電流(A)73011035

15、0-前置放大器選配選配選配選配集成信號輸出模式電流電流電流電流電壓表2 D系列銻化銦探測器參數(shù)3. 使用條件銻化銦焦平面列陣成熟，具有高靈敏度，但也只能工作在中波紅外波段。銻化銦沒有波長可調(diào)能力和多色能力。光導型探測器宜于做成單元或線列，由于信號讀出問題，不宜做成二維陣列。光伏型探測器電壓輸出在 PN 結(jié)兩端，在芯片的上下兩方，因而宜于做成大規(guī)模焦平面陣列探測器。對PC型銻化銦光電探測器而言，在強光輻照下，不僅要考慮其光敏特性，還要考慮其熱敏特性，包括正溫度系數(shù)熱敏特性和負溫度系數(shù)熱敏特性；對PV型銻化銦光電探測器而言，不僅要考慮光生電動勢的貢獻，還要考慮熱生電動勢的貢獻，尤其是波段外激光輻照

16、下，熱生電動勢是主要響應(yīng)機制之一。4. 應(yīng)用領(lǐng)域熱成象、搜尋熱目標、輻射計、光譜鑒定、FTIR5. 發(fā)展趨勢InSb工作波段在中波是目前使用最廣泛，研究最成熟，軍用中用于尋的頭的常取128×128元凝視型陣列，因為有較好的性能/價格比，美、英、德和以色列等國研制的新型空-空導彈都使用了這一規(guī)格。要求精密、高速圖像或在高價值場合使用時常取256×256，640×480或512×512InSb探測器，美國Lockheed Martim公司生產(chǎn)的“狙擊手”吊艙，Raytheon公司研制的ATFLIR吊艙，Northrop Grumman公司與以色列拉發(fā)爾公司合

17、作研制的LITENING吊艙以及美國前視紅外系統(tǒng)公司研制的AN/AAQ-22 SAFIRE熱像儀等世界最先進的前視，導航和瞄準設(shè)備都使用了640×480元或類似規(guī)模的InSb陣列。2000×2000InSb與可見光組合成低幀頻、雙色相機已有報導用于戰(zhàn)場和環(huán)境監(jiān)視。進入二十世紀九十年代，人們開始研究具有新型結(jié)構(gòu)的 InSb 探測器，例如超晶格量子阱結(jié)構(gòu)探測器、非制冷 InSb 探測器、高速響應(yīng)的銻化銦 Schottky 探測器，等等。InSb 紅外焦平面陣列物理模型和器件制備技術(shù)進一步規(guī)范。當前，1280×1024 元和 2048×2048 元的大規(guī)模 I

18、nSb 紅外焦平面陣列已相繼問世。目前，人們努力進一步探索光電效應(yīng)、光熱效應(yīng)等的新現(xiàn)象及其在 InSb 紅外焦平面陣列和新型光電探測器件上的創(chuàng)新應(yīng)用。進一步的研究將主要集中在 InSb 的晶格振動、載流子激發(fā)、輸運和復合、雜質(zhì)缺陷、超晶格與量子阱以及器件物理等方面的新現(xiàn)象、新效應(yīng)和規(guī)律。硅光電池1. 工作原理晶體硅光電池有單晶硅與多晶硅兩大類，用P型（或n型）硅襯底，通過磷（或硼）擴散形成Pn結(jié)而制作成的，生產(chǎn)技術(shù)成熟，是光伏市場上的主導產(chǎn)品。2. 性能參數(shù)光電池是固體光電器件中具有最大光敏面積的器件，它除用做探測器件外，還可作太陽能變換器。其優(yōu)點：不消耗常規(guī)能源、光譜響應(yīng)范圍寬、線性響應(yīng)好、

19、無轉(zhuǎn)動部件、壽命長、維護簡單、使用方便、功率大小可任意組合、無噪音、無污染、性能穩(wěn)定等。3. 使用條件硅光電池作為測量元件使用時， 應(yīng)作為電流源的形式來使用。4. 應(yīng)用領(lǐng)域近紅外探測器、光電讀出、光電耦合、激光增加準直、電影還音等設(shè)備的光感受器。5. 發(fā)展趨勢采用埋層電極、表面鈍化、強化陷 光、密柵工藝、優(yōu)化背電極及接觸電極等技術(shù)，提高材料中的載流子收集效率，優(yōu)化抗反射膜、 凹凸表面、高反射背電極等方式，光電轉(zhuǎn)換效率有較大提高。單晶硅光電池面積有限，目前比較大的為10至20cm的圓片，年產(chǎn)能力46MW/a。目前主要課題是繼續(xù)擴大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，開發(fā)帶狀硅光電池技術(shù)，提高材料利用率。國際公認最高效率在

20、AM1.5條件下為24%，空間用高質(zhì)量的效率在AM0條件約為13.5-18%，地面用大量生產(chǎn)的在AM1條件下多在11-18%之間。以定向凝固法生長的鑄造多晶硅錠代替單晶硅，可降低成本，但效率較低。優(yōu)化正背電極的銀漿和鋁漿絲網(wǎng)印刷，切磨拋工藝，千方百計進一步降成本，提高效率，大晶粒多晶硅光電池的轉(zhuǎn)換效率最高達18.6%。硅光電二極管1. 工作原理硅光電二極管的兩種典型結(jié)構(gòu)，上圖是采用N型單晶硅和擴散工藝，稱為pn結(jié)構(gòu)。它的型號是2CU型。而下圖是采用P型單晶和磷擴散工藝，稱np結(jié)構(gòu)。它的型號為2DU型。圖1 硅光電二極管兩種結(jié)構(gòu)2. 性能參數(shù)硅光電二極管體積小、響應(yīng)快、可靠性高，而且在可見光與近

21、紅外波段內(nèi)有較高的量子效率，困而在各種工業(yè)控制中獲得應(yīng)用。Si光電二極管光譜響應(yīng)范圍：0.41.1m，峰值響應(yīng)波長約為0.9 m，電流響應(yīng)率通常在0.405A/W。頻率特性優(yōu)于光電導探測器，適宜于快速變化的光信號探測。3. 使用條件光電二極管在較小負載電阻下，入射光功率與光電流之間呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。光電二極管的頻率特性響應(yīng)主要由三個因素決定：(a)光生載流子在耗盡層附近的擴散時間；(b)光生載流子在耗盡層內(nèi)的漂移時間；(c)與負載電阻RL并聯(lián)的結(jié)電容Ci所決定的電路時間常數(shù)。4. 應(yīng)用領(lǐng)域醫(yī)療儀器、SpO2、血液分析、高速光通信、激光測距儀。PIN硅光電二極管1. 工作原理 由于PN結(jié)耗盡層

22、只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收， 因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層本征半導體(稱為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。2. 性能參數(shù)以產(chǎn)品為例： FPD510 PIN光電探測器系列FPD510FPD510-FFPD510-FV光學輸入光纖*自由空間自由空間電源電壓8-20V8-20V8-20V電流消耗50mA50mA50mA最大入射功率10mW10mW10mW操作溫度10-4010-4010-40光譜范圍*850-1650nm850-1650nm400-1000nm探測器直徑-0.3mm0.4mm頻率范圍0-250MHz0-250MHz0-25

23、0MHz3dB帶寬0-200MHz0-200MHz0-200MHz上升時間2ns2ns2ns增益*4x104V/W4x104V/W4x104V/W暗態(tài)噪聲-120dBm-120dBm-120dBmNEP(計算值)3pW/Hz3.2pW/Hz6pW/Hz輸出連接SMASMASMA輸出阻抗50W50W50W器件尺寸60x50x27mm60x50x27mm60x50x27mm輸出耦合DCDCDC表3 FPD510 PIN光電探測器參數(shù)快速響應(yīng)，低暗電流，高響應(yīng)度，高可靠性。3. 使用條件較低的偏置可獲得寬帶性，PIN型光電探測器的頻率響應(yīng)主要受到載流子在耗盡區(qū)的渡越時間和RC響應(yīng)時間的限制。在器件表

24、面面積一定的情況下，增大耗盡區(qū)寬度可以增大器件的RC頻率，但同時增大了載流子的渡越時間。4. 應(yīng)用領(lǐng)域光纖通信、傳感、測距；可見光至近紅外領(lǐng)域的光探測；快速光脈沖檢測；各種工業(yè)控制系統(tǒng)。5. 發(fā)展趨勢高速叉指式Ge PIN光電探測器：工作在1.3m彼長，用于高速和長拖曳光傳輸?shù)墓怆娞綔y器是光傳輸系統(tǒng)廣泛研究的主題。至今，許多這個工作都集中在班-族化合物半導體的長波長光電探測器。Ge被認為是代替材料，因為它有適合于1.3m波長的帶隙，間接帶隙0.67eV，直接帶隙0.81eV。Ge有達到高速性能的潛力，因為它在電信波長有高的電子遷移率和高的光吸收系數(shù)。此外，Ge有希望應(yīng)用于例如微波和毫米波光子系

25、統(tǒng)，這種需要高的光電流和高的線性度的系統(tǒng)。近來Ge在Si襯底上外延層的沉積工藝技術(shù)使Ge更有吸引力，因為它容易與Si集成電路技術(shù)兼容。已有報道用在si襯底外延生長的Ge制作金屬-半導體-金屬(MSM)光電探測器。為了得到高的響應(yīng)度，使用叉指式的平面結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)的MSM光電探測器已廣泛應(yīng)用，因為它比較容易制作和具有低的電容。然而，MSM探測器與PIN探測器比較，量子效率低，暗電流大。雪崩光電二極管（APD）1. 工作原理 雪崩光電二極管是具有內(nèi)增益的一種光伏器件。它利用光生載流子在強電場內(nèi)的定向運動產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，以獲得光電流的增益。在雪崩過程中，光生載流子在強電場的作用下高速定向運動，具有很高

26、動能的光生電子或空穴與晶格原子碰撞，使晶格原子電離產(chǎn)生二次電子空穴對；二次電子和空穴對在電場的作用下獲得足夠的動能，又使晶格原子電離產(chǎn)生新的電子空穴對，此過程像“雪崩”似地繼續(xù)下去。電離產(chǎn)生的載流子數(shù)遠大于光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子數(shù)，這時雪崩光電二極管的輸出電流迅速增加。2. 性能參數(shù)以產(chǎn)品為例：APD系列高靈敏度雪崩光電探測器APD210APD310光學輸入自由空間*自由空間*電源電壓12-15V*12-15V*電流消耗200mA200mA最大入射功率10mW10mW操作溫度10到4010到40光譜范圍400-1000nm850-1650nm探測器直徑0.5mm0.03mm頻率范圍1-1600

27、MHz1-1800MHz3dB帶寬1-1000MHz1-1000MHz上升時間500ps500ps最大增益2.5x105V/W 1GHz，800nm2.5x104V/W 1GHz，1500nm暗態(tài)噪聲-80dBm-80dBmNEP(計算值)0.4pW/Hz2pW/Hz輸出連接BNCBNC輸出阻抗50W50W器件尺寸50x50x45mm50x50x45mm輸出耦合ACAC表4 APD系列高靈敏度雪崩光電探測器參數(shù)APD體積小、重量輕、工作電壓低、增益高、響應(yīng)速度快、動態(tài)范圍大、抗外部電磁干擾性好、噪聲小。APD具有一個內(nèi)部的增益機制，可以快速響應(yīng)，在紫外到近紅外區(qū)域靈敏度極高。3. 使用條件暗電

28、流與光敏面大小有關(guān)，因此減小面積可以降低暗電流，從而提高探測器靈敏度。若外界環(huán)境溫度增加，則噪聲將會大幅度增加。理論證明，當只有一種載流子引起碰撞電離時，雪崩光電二極管的噪聲比較低，它的增益帶寬積才比較大。所以要設(shè)法將雪崩管中的耗盡層分為吸收漂移區(qū)和高場倍增區(qū)，讓入射光盡量在漂移區(qū)中被吸收而產(chǎn)生初始光生電子空穴對，然后只讓其中一種類型的載流子進入高場強區(qū)域產(chǎn)生倍增。在設(shè)計雪崩光敏二極管時，要保證載流子在整個光敏區(qū)的均勻倍增，這就需要選擇無缺陷的材料，必須保持更高的工藝和保證結(jié)面的平整。4. 應(yīng)用領(lǐng)域安檢設(shè)備、激光測距、運動控制、分析儀器、生物醫(yī)療、光通信、軍事、航空航天。5. 發(fā)展趨勢 SAC

29、M-APD 具有內(nèi)部增益大、靈敏度高、低噪聲和高增益帶寬積等優(yōu)點，在光通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。對于傳統(tǒng)的InP/InGaAs APD，由于增益層InP 材料的k值在0.40.5范圍內(nèi)，在滿足一定靈敏度要求條件下，增益帶寬積(GBP)通常只能達到100 GHz 左右。相比之下，InAlAs / InGaAsAPD 增益層InAlAs材料的k值在0.20.3的范圍內(nèi);Si/Ge APD增益層Si的k 值 0.1，說明Si最有希望作為光通信用APD 的增益層候選材料。Si基探測器一直受到重視。研究表明，與傳統(tǒng)的InP/InGaAs APD 相比，Si/Ge APD 具有GBP 高(200GHz)

30、擊穿電壓低(27 V)擊穿電壓溫度系數(shù)低( 0.014 V /)過剩噪聲因子低、整個生產(chǎn)工藝與標準CMOS 制程完全兼容和易于與TIA 等后續(xù)電路實現(xiàn)單片集成等一系列優(yōu)點，是光通信領(lǐng)域近年來研發(fā)的熱點。早在2001年開始，西方發(fā)達國家開始將碲鎘汞APD探測器陣列應(yīng)用到激光雷達上，以下列出近15年來，官方公布過的研究計劃。表5 西方發(fā)達國家碲鎘汞APD探測器陣列研究計劃及用途硅光電池、三極管、二極管、PIN、APD性能參數(shù)對比總結(jié)在動態(tài)特性（即頻率響應(yīng)與時間響應(yīng)）方面：以光電倍增管和光電二極管（尤其是PIN管與雪崩管）為最好。在光電特性（即線性）方面：以光電倍增管、光電二極管和光電池為最好。在靈

31、敏度方面，以光電倍增管、雪崩光電二極管、光敏電阻和光電三極管為最好。輸出電流大的器件有大面積光電池、光敏電阻、雪崩光電二極管和光電三極管。外加偏置電壓最低的是光電二極管、光電三極管，光電池不需外加偏置。在暗電流方面，光電倍增管和光電二極管最小，光電池不加偏置時無暗電流，加反向偏置后暗電流也比光電倍增管和光電二極管大。長期工作的穩(wěn)定性方面：以光電二極管、光電池為最好，其次是光電倍增管與光電三極管。異質(zhì)結(jié)探測器1. 工作原理以緩變雙異質(zhì)結(jié)GaInAs/InP PIN PD為例：GaInAs/InP異質(zhì)結(jié)構(gòu)由氣體源分子束外延(GSMBE)在Si-InP襯底上生長。PIN外延結(jié)構(gòu)由GaInAs腐蝕終止

32、層及隨后n-InP，緩變帶隙層(GBL)， 190nm厚無意摻雜GaInAs有源層，另一GBL， p-InP層， p+-GaInAs接觸層。GBL由4周期超晶格組成。器件剖面結(jié)構(gòu)如下圖所示。雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)減少了擴散電流，緩變帶隙超晶格減少了GaInAs/InP PIN PD的載流子俘獲效應(yīng)，復合波導設(shè)計減少了分布電容，使PD的高性能達到最佳化。圖2 GaInAs/InP PIN PD器件結(jié)構(gòu)2. 性能參數(shù)以In0.53Ga0.47As異質(zhì)結(jié)光伏型紅外探測器為例：在異質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測器里面，只有隧穿噪聲和產(chǎn)生-復合噪聲對探測度起主要作用。異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)也會影響探測度的大小。例如N-p結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)的探測器的

33、性能比P-n結(jié)構(gòu)的探測器性能好。即N-p異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的探測度明顯高于P-n異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的探測度，這是因為N-p異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的量子效率高，這源于p型In0.53Ga0.47As材料中的光吸收大于n型In0.53Ga0.47As材料的光吸收。因為p型In0.53Ga0.47As材料中的少子-電子擴散長度大，壽命大，即復合幾率比較小，所以光吸收大，量子效率大。N-p異質(zhì)結(jié)構(gòu)中p型材料的表面復合速度是影響紅外探測器性能的一個重要的材料參數(shù)，如果p型材料的表面復合速度過高，會降低R0A，并且量子效率和探測度也會明顯下降。對p型材料的表面進行鈍化處理，以有效的減小表面復合。N-p異質(zhì)結(jié)構(gòu)的In0.53Ga0.4

34、7A光伏型紅外探測器的性能被產(chǎn)生-復合、隧穿噪聲所限制，并且只有在產(chǎn)生-復合限制的范圍內(nèi)可以得到高的探測度，因此與產(chǎn)生-復合噪聲相關(guān)的材料參數(shù)，如載流子濃度、表面復合速度都是決定器件性能的重要參數(shù)。因為光吸收主要限制在窄帶材料中，窄帶材料參數(shù)對得到優(yōu)良的器件起決定性的作用。另外，因為p型材料In0.53Ga0.47A無限厚時，探測度達到飽和。3. 使用條件以Ge/Si異質(zhì)結(jié)光電探測器為例：降低Ge外延層、特別是Ge緩沖層的位錯密度可以有效的降低器件的暗電流;在高偏壓下，受電場影響Ge材料的能帶發(fā)生彎曲使得位錯的電離能降低，暗電流增大，并隨著Ge吸收層厚度的減小，影響顯著增大。采用Ge/Si異質(zhì)

35、結(jié)制備的光電探測器對光信號的響應(yīng)度增大，響應(yīng)截止波長向長波長延伸。在SACM-APD型Ge/Si異質(zhì)結(jié)探測器中，頻率特性在大增益的情況下還受到雪崩建立時間的影響。對于SACM-APD型Ge/Si異質(zhì)結(jié)探測器，在較高的光輻射或高外加偏壓的情況下，受到雪崩倍增產(chǎn)生的載流子形成的空間電荷效應(yīng)影響，雪崩增益下降，而器件的響應(yīng)頻率帶寬增大，在某一偏壓下，探測器有最大增益帶寬積。4. 應(yīng)用領(lǐng)域光纖通信5. 發(fā)展趨勢2007年，MIT的Yin等報道了 Si基Ge波導型PIN光電探測器，其量子效率在可探測區(qū)域內(nèi)均高達90%，在1550 nm處的響應(yīng)度為1.08 A/W，帶寬為7.2 GHz。隨后，Vivien

36、也報道了在SOI襯底上制備的Ge波導型光電探測器，外加偏壓為-6 V時帶寬高達42 GHz。Intel公司也報道了 Ge波導性PIN光電探測器，偏壓為-2 V時帶寬為31.2 GHz。波導型光電探測器將光的傳播方向與光生載流子的運動方向分開，不僅提高了響應(yīng)度和帶寬，并且容易與波導、調(diào)制解調(diào)器等更好的集成在一起。2008年，Inter公司的Kang等報道了分離吸收層、電荷層合積累層雪崩(SACM-APD)結(jié)構(gòu)的Si基Ge光電探測器，其帶寬增益積可達到340 GHz，顯著高于III-V族材料的探測器。2012年蘭州大學的魏瑩也分別設(shè)計了PIN型Ge/Si異質(zhì)結(jié)光電探測器和SACM-APD型Ge/S

37、i異質(zhì)結(jié)光電探測器系統(tǒng)，并從二者的工作機理和對探測器探測性能兩方面著手提出了優(yōu)化計算模型，配以工藝技術(shù)分析了其未來發(fā)展趨勢。在較大程度上避免當前器件結(jié)構(gòu)設(shè)計的盲目性，增強制造過程中技術(shù)措施的針對性，對材料、結(jié)構(gòu)、工藝和特性之間的相互制約關(guān)系取得更加深入的認識，并為解決器件實際使用過程中的相關(guān)問題提供新的思路。 2014年，中科院理化所賀軍輝團隊和清華大學孫家林團隊合作，在實現(xiàn)超寬帶光探測方面取得重要進展，制作了還原氧化石墨烯硅納米線陣列異質(zhì)結(jié)光探測器，實現(xiàn)了一個探測器就可以完成從可見光到太赫茲波的超寬帶光探測，達到了以往多個探測器同時工作才能達到的探測帶寬。實驗證實，該探測器對人體紅外輻射具有

38、靈敏的響應(yīng)，可用于人體紅外傳感如夜視領(lǐng)域。相關(guān)成果發(fā)布在微尺度上。象限探測器1. 工作原理四象限光電探測器實際由四個光電探測器構(gòu)成，每個探測器一個象限，目標光信號經(jīng)光學系統(tǒng)后在四象限光電探測器上成像。一般將四象限光電探測器置于光學系統(tǒng)焦平面上或稍離開焦平面。當目標成像不在光軸上時，四個象限上探測器輸出的光電信號幅度不相同，比較四個光電信號的幅度大小就可以知道目標成像在哪個象限上（也就知道了目標的方位），若在四象限光電探測器前面加上光學調(diào)制盤，則還可以求出像點偏離四象限光電探測器中心的距離或角來。四象限光電探測器、常用于激光制導或激光準直中。目前在光電探測系統(tǒng)中廣為使用的多元非成像光電探測器多為

39、四象限光電探測器件。它包括各種規(guī)格的硅光電池以及類型各異的四象限光電二極管，如四象限PIN光電二極管、四象限雪崩光電二極管等。2. 性能參數(shù)高響應(yīng)（動態(tài)范圍），可靠性好，寬溫度范圍。類型信噪比工作電壓受溫度影響信號電路應(yīng)用四象限雪崩光電二極管較高150V-300V高復雜海爾發(fā)導彈四象限PIN光電二極管較低10-15V（0.85m）60-80V（1.06m）低簡單可靠寶石路炸彈表6 APD和PIN四象限探測器在制導應(yīng)用中的對比3. 使用條件 影響四象限光電檢測系統(tǒng)工作精度的因素主要包括外圍大氣環(huán)境、目標光斑大小和光斑能量分布以及系統(tǒng)本身采用的算法、器件響應(yīng)差異和噪聲所帶來的四象限不均勻性。4.

40、應(yīng)用領(lǐng)域光電信號檢測、光電定向、光電準直、光電對中、光電自動跟蹤、光電制導、太陽能跟蹤、原點定位、位置測量等。5. 發(fā)展趨勢 美國海爾法導彈探測器采用的是硅雪崩四象限光電二極管探測器。雪崩四象限硅光電二極管由于本身能產(chǎn)生雪崩增益，使得整個探測系統(tǒng)的信噪比提高，探測距離更遠。通常雪崩光電二極管系統(tǒng)的信噪比比PIN 光電二極管探測系統(tǒng)的信噪比高一個量級。而雪崩象限探測系統(tǒng)的缺點是:目前條件下的雪崩探測器光敏面不能做得太大(一般直徑為12mm)，從而影響導彈的跟蹤視場。且雪崩硅光電二極管本身還具有工作電壓偏高(通常為150350V)，環(huán)境溫度對其性能影響較大的缺點。激光導引頭用四象限PIN光電二極管

41、探測系統(tǒng)具有電子線路簡單，性能穩(wěn)定可靠的特點。PIN光電二極管探測系統(tǒng)中PIN 光電二極管的工作電壓Vp不需要太高(導引系統(tǒng)采用0.85m 激光時，Vp使用1015 V 即可正常工作，導引系統(tǒng)采用1.06m激光時，Vp使用6080V)，且環(huán)境溫度對其性能影響較小。 我國在2005年就研制出了一種四象限激光探測器組件，并投入了生產(chǎn)中采用的光電探測器為6 mm 的Si-PIN 光電二極管芯片，組件集成在一體積為23×25帶玻璃光窗的金屬管殼內(nèi)。通過調(diào)節(jié)增益控制端的電壓可以使光電探測器組件的響應(yīng)度在102 104 V/W之間變化，從而可使組件動態(tài)范圍在萬倍以上。 2014年，周培松等人基于

42、四象限探測器設(shè)計了一款激光跟蹤儀目標脫靶量測量系統(tǒng)。實驗表明，該系統(tǒng)測量速度快，每秒測量次數(shù)可達600次以上；測量精度高，在±500m量程范圍內(nèi)精度可達5m。該目標脫靶量測量系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于微位小移測量的相關(guān)領(lǐng)域。圖3 脫靶量測量系統(tǒng)框圖光電位置探測器（PSD）1. 工作原理 是根據(jù)橫向光電效應(yīng)(電壓和電流信號隨著光斑位置變化而變換的現(xiàn)象)的半導體敏感元件，將照射在光敏面上的光斑強度和位移量轉(zhuǎn)換為電信號，以實現(xiàn)位置探測。2. 性能參數(shù)以實際產(chǎn)品為例：SW806T -PSD型高靈敏寬量程射線探測器1、探頭尺寸：65×310mm2、探測器尺寸：50x50mm，Nal閃爍晶體3

43、、測量范圍：0.1uSv/h200uSv/h4、能量閾： 35Kev5、能量范圍：48Kev3.0Mev6、靈敏度： 600CPS / uSv/h7、溫度范圍：-20+508、相對濕度：959、工作電源：9-36V此款射線探測器不僅具有高靈敏度，可以測量建筑材料是否含有放射物質(zhì)，而且還具有良好的線性特性。其中主要優(yōu)點是有潛力制作大面積器件而沒有內(nèi)部中斷或分界面，以便它們對光輸人信息提供連續(xù)的傳感。不同類型的PSD性能對比：PSD類型電極特點性能電極型/Wallmark型電極設(shè)計為點狀，使用時不加偏置。靈敏度、響應(yīng)度和線性度等性能都很差。單面四橫向直條電極電極單面條形布置，使用時要加偏壓。各種性

44、能提高，電極間互相影響，非線性度較大。雙面分流直條形電極電極放在PN結(jié)的兩面。電極間相互影響小，線性度顯著提高，暗電流較大，不便于加反向偏壓。枕型電極光敏面周邊帶弧度形電阻條的枕型結(jié)構(gòu)。保持了四邊形結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)點，又有良好的線性度，但面積較小。直角形電極光敏面周邊帶直線形邊界，并帶了電阻邊框。性能優(yōu)異。3. 使用條件 位置分辨率是指最小可探測的光斑移動距離，它主要受器件尺寸、信噪比等因素影響。一般規(guī)律是尺寸越大的器件其分辨率越低，提高信噪比可以提高位置分辨率。暗電流由體漏電流和表面漏電流兩部分組成，表面漏電流取決于材料質(zhì)量、器件制作過程所采取的表面鈍化工藝。暗電流存在于所有工作在反偏狀態(tài)下的結(jié)

45、型器件中，因此在PSD中也存在。由于存在暗電流，在設(shè)計信號放大器時必須選擇具有適當偏置電流的運算放大器。4. 應(yīng)用領(lǐng)域 各類輻射檢測系統(tǒng)PSD；在位置坐標的精確測量上，如:兵器制導和跟蹤、工業(yè)自動控制、或位置變化等技術(shù)領(lǐng)域。5. 發(fā)展趨勢 2001年，澳大利亞西部大學電氣與電子工程學院的J.Henry等人，用新的氫化非晶硅(a一si:H)肖特基勢壘結(jié)構(gòu)制作的薄膜位敏探測器PsD與常規(guī)的晶體硅器件位敏探測器進行了比較研究。測得a-Si:H結(jié)構(gòu)的器件輸出線性相關(guān)系數(shù)為r=0.983-0.997，晶硅器件如Pt/C-Si和Au-In/C-si器件的r近似為1。另外a-Si:H結(jié)構(gòu)器件的空間分辨小于5

46、0林m，而晶硅(C一Si)結(jié)構(gòu)器件的空間分辨小于1opm。量子阱光電探測器1. 工作原理與傳統(tǒng)探測器的探測機理不同， 量子阱焦平面探測器是靠量子阱結(jié)構(gòu)中光子和電子之間的量子力學相互作用來完成探測的。這種探測器使用帶隙比較寬（GaAs 為1.43 eV）的-族材料，主要有光導型量子阱材料（GaAs/AlGaAs） 和光伏型量子阱材料（InAs/InGaSb、InAs/InAsSb）兩種類型。2. 性能參數(shù)其中GaAs/GaAlAs 材料體系發(fā)展得最為成熟，覆蓋了從中波紅外到超長波紅外區(qū)域。采用這個材料體系制作量子阱紅外探測器時，以GaAs 作為量子阱材料，GaAlAs 作為量子勢壘材料，通過選擇

47、合適的量子阱厚度和勢壘材料組分，可使量子阱紅外探測器的響應(yīng)波長滿足814 m 長波紅外波段的要求。具有量子效率高、暗電流低等優(yōu)點。3. 使用條件雖然量子阱紅外光電探測器是光電導體，但它具有高阻抗和低功耗，容易與低溫讀出電路匹配。量子阱紅外光電探測器的主要優(yōu)點是均勻、與成熟的III-V族材料技術(shù)相關(guān)的可重現(xiàn)性能、低背景應(yīng)用時隨工作溫度降低性能持續(xù)提高、與可被其他III-V族器件共同使用的柔性設(shè)備相關(guān)的長期成本低。由于在低溫和極長波紅外波段的材料質(zhì)量高，因此量子阱紅外光電探測器有可能滿足許多低背景、低溫應(yīng)用的系統(tǒng)要求。就列陣尺寸、均勻性和成本來說，對于一些長波紅外和極長波紅外焦平面列陣應(yīng)用，量子阱

48、紅外光電探測器有優(yōu)勢。特別是，量子阱紅外光電探測器在低溫工作時有希望用于極長波紅外。4. 應(yīng)用領(lǐng)域 1)軍事方面，QWIP可用來精確制導、戰(zhàn)場監(jiān)、軍事目標的偵察、搜索和自動跟蹤、探測地雷等，對避免人員傷亡，提高戰(zhàn)斗力發(fā)揮巨大作用。2)工業(yè)方面，用于生系統(tǒng)和設(shè)備的故障檢測。如電力系統(tǒng)，高壓輸電線路發(fā)生故障，檢測十分困難，在直升飛機上，用量子阱紅外探測器陣列制成的紅外相機，可迅速、準確地查出故障位置和嚴重程度。同時還可用于產(chǎn)品的無損探傷及質(zhì)量鑒定。如金屬、非金屬材料及其加工部件的無損探傷及質(zhì)量鑒定，金屬焊接部件的質(zhì)量鑒定。無需解剖、取樣，便可迅速查出材料或部件內(nèi)部的缺陷位置、大小和嚴重程度。3)消

49、防方面，視覺受限是火災中的主要問題，不論是森林大火，還是建筑物起火，濃厚的煙霧阻擋了消防人員的視線，這時可通過紅外相機，找到起火點，了解建筑物內(nèi)的情況，及時采取措施，減小財產(chǎn)損失，保障生命安全。4)醫(yī)療方面，人身體上有病變組織的溫度和正常組織的會有所不同，利用它們之間的微小差別，通過QWIP可探測到病變的部位、發(fā)展情況和嚴重程度，輔助醫(yī)務(wù)人員采取正確的治療手段，病人得到早日康復。5. 發(fā)展趨勢和解決的問題量子阱紅外焦平面探測器在384×288，640×512規(guī)模以上的大面陣和雙色焦平面方面有應(yīng)用價值，目前主要應(yīng)用在工業(yè)及醫(yī)療。在允許進行長時間積分的軍事領(lǐng)域也有應(yīng)用，如德國的

50、坦克駕駛員觀察用熱像儀，使用的是640×512元長波量子阱紅外焦平面探測器，光譜響應(yīng)范圍8-9µm。量子阱紅外焦平面探測器未來最有潛力的發(fā)展方向是空間軍事應(yīng)用，如多色（4色），超長波（1416µm）大面陣。早在2002年，IEEE會員J.Jiang等人，用Si作襯底研制了InGaAs-InP量子阱紅外光電探測器。使用低溫成核層技術(shù)和厚緩沖層材料生長技術(shù)在Si上生長InP。使用現(xiàn)場熱循環(huán)退火技術(shù)減少InP在Si上的線錯密度。使用這個方法，使探測器的暗電流減小兩個數(shù)量級，在77K和7-9m波長范圍得到探測靈敏度高達2.3×109cmHz1/2/W. 與碲鎘汞

51、相比，量子阱紅外探測器材料的優(yōu)點是可提供更好的粘合強度、化學穩(wěn)定性、摻雜能力以及熱穩(wěn)定性，加上GaAs/GaAlAs 材料體系的材料生長技術(shù)比較成熟，所以近年來量子阱紅外探測器材料得到了迅速發(fā)展，重點發(fā)展長波量子阱材料和多色量子阱材料技術(shù)，其中以美國噴氣實驗室的產(chǎn)品為世界最高水平。如美國噴氣實驗室設(shè)計的長波多量子阱周期結(jié)構(gòu)包括4.5×10-6 mm 的GaAs（n=4×1017 cm-3）阱和5×10-5mm的Al0.3Ga0.7As阻擋層，多量子阱結(jié)構(gòu)夾在0.5 m的GaAs 頂部和底部（摻雜濃度n=5×1017 cm-3）接觸層間。由這種量子阱材料制

52、成的探測器在偏置電壓為-3V 時，響應(yīng)峰值位于8.5 m，峰值響應(yīng)率為300 mA/W，光譜寬度/=10%，截止波長為8.9m。美國噴氣實驗室設(shè)計的三色量子阱結(jié)構(gòu)由3個多量子阱區(qū)組成，中間由GaAs接觸層隔開。每個多量子阱結(jié)構(gòu)大約有30 個周期，每個周期包括一層厚度為5×10-5mm的AlxGa1-xAs勢壘層和一層GaAs 勢阱層。勢壘層中鋁組分的x值和勢阱中的幾何深度根據(jù)所需的光譜響應(yīng)選擇。此外，噴氣推進實驗室以InGaAs/GaAs/AlGaAs 材料體系為基礎(chǔ)研制出640×512 四色焦平面器件，其性能為：300 K背景溫度下f 數(shù)為2，工作溫度45K，各探測器的探

53、測率均大于1011 cm·Hz1/2W-1， 可操作像元數(shù)為99.9%，可在4-5.5m、8.5-10m、10-12m和13-15.5m 波長波段響應(yīng)。目前，美國量子阱紅外光電探測器技術(shù)公司也在加緊發(fā)展GaAlAs/GaAs 四色焦平面陣列，陣列規(guī)模達到1024×1024元，波長覆蓋可見光和長波紅外，其中有二色為中波紅外區(qū)。結(jié)語 光電探測器正朝著超高速、高靈敏度、寬帶寬以及單片集成的方向發(fā)展，它可廣泛地應(yīng)用于光通信、信號處理、傳感系統(tǒng)和測量系統(tǒng)。參考文獻1 李修乾，激光輻照碲鎘汞光電探測器實驗研究，國防科技大學畢業(yè)論文，2002年2 Wijewarnasuriya Priy

54、alal S. Molecular beam epitaxy grown long wavelength infrared HgCdTe on compliant Si substratesJ. Infrared Technology and Applications XXXII Proc of SPIE，2006，6206：11-1-11-10.3 韓文，曹麗云，黃劍鋒.PbS薄膜的研究進展.硅酸鹽通報，2008，27(4):744-7474 李國偉，PbS紅外探測器的制備和性能研究，電子科技大學碩士論文，2010年 5 E.M.Larramendi， O.Calzadilla， A.Gon

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