进入21世纪,光电子技术进一步融合了量子光学､量子通信等前沿领域｡

 

量子光学研宄通过操控光子的量子态,为量子计算､量子通信等领域提供了新的可能性｡同时,纳米技术的兴起也为光电子技术注入新的活力,纳米光子学､纳米光电器件的研宄逐渐成为热点｡

 

光电探测器,作为光电子技术的核心,在信息转换和传输中扮演着不可或缺的角色,其在图像传感和光通信等领域得到广泛应用｡

 

随着这些领域的快速发展,人们对光电探测器的探测性能提出了越来越高的要求｡未来的先进光电技术将朝着多学科交叉､多功能集成､多谱段覆盖､多维度拓展以及多前沿探索的“五多”方向不断发展｡

 

一、半导体光电探测器

 

光电探测器是一种能够将光信号转化为电信号的设备，其工作原理基于光电效应，即光的能量被吸收后激发电子产生电流。

 

光电探测器的基本工作过程如下：

 

光照射到探测器的光敏材料表面，当光子能量满足一定条件时，光子的能量被材料中的原子或分子吸收，该过程导致光敏材料中的电子从基态跃迁至激发态。

 

激发态电子被释放到导电带，形成自由载流子。在光电探测器的结构中，通常存在电场或电势差，促使自由电子朝着电场方向移动，移动的自由电子形成了电流。为了定量地衡量光电探测器的探测能力，可以通过测量不同条件下光电探测器的电流强度。通过测量电流的强度，可以得知光信号的强度及其他特征。

 

电流的变化可用于记录光信号的强度、频率和时域特性等。

 

光电探测器的工作原理因其具体类型而有所不同，但其基本的光电效应原理适用于各种类型的光电探测器。

 

这种设计和工作原理使得光电探测器在通信、医学成像、遥感技术、安防监控等领域发挥着关键作用。在实际应用中，光电信号可被进一步处理、放大或数字化，以便进行后续的分析、存储或传输。光电探测器相当于一种转换器，通过将光信号转化为电信号，为各种应用提供了重要支持。

 

二、光电探测器的分类及研究进展

 

为了适配更多的应用环境，光电探测器可以分为很多种类。

 

按照器件结构来分可以分为光电导型，肖特基型，异质结型。

 

这些结构的光电探测器都能够实现基本的光电探测功能，但根据其工作机制的不同，可以更清晰地对比各种类型光电探测器的性能和特点。

 

常见的光电探测器按工作机制分类可以分为光导型、光伏型、雪崩型等。

 

这些不同类型的光电探测器具备不同的性能特点并适用于不同的应用场景，通过对光电探测器的多样化分类和理解，可以更好地选择和应用于不同的实际场景，满足各种光电探测需求。下面将按照工作机制对光电探测器进行分类并介绍。

 

光导型探测器具有简单的结构，它由金属-半导体-金属(Metal-Semiconductor-Metal,MSM)构成,且金属与半导体材料之间为良好的欧姆接触，黑暗条件下，在金属电极施加偏压的情况下，半导体材料内部少量的电子空穴会分别向电极两端流动从而产生暗电流，当器件受到特定频率光照时，半导体吸收了光子能量从而内部出现大量电子空穴对，在两端施加了一定的偏压的条件下，电子空穴会分别向两极移动，从而在整个电路中形成较大的电流。

 

该结构中金属和半导体材料之间因为没有明显的势垒，通常其I-V特性曲线表现为良好的线性，可在正负电压作用下产生对称的光电流。不过，这种结构虽然具有很大的内部增益，但是其响应速度较慢，并不适用于高频器件的制作。此外，从器件的性能上来看，想要得到较大的性能指标，需要在两极施加较大的偏压，增加了器件的能耗。而且由于I-V特性曲线本身为线性的关系，仅通过增大两端电压去获得较大性能指标的方法实际并不可取。因此这种结构简单的光导型探测器大多用来探究半导体的基本性能，其基本结构以及I-V测试特点如下图所示。

 

不过，光导型器件可通过栅极调控以及声表面波增强等方式提升器件的灵敏度。

 

光栅调控机制(Photogating)是指在光照作用下，吸收光子产生的电子或空穴处于陷阱态，这些电荷陷阱态可以作为局域光栅，对导电沟道进行调制，从而实现光控制下的电荷传输。在光电器件中的应用主要体现在场效应晶体管(FET)等器件上。

 

光照射后，光生电子空穴对会影响晶体管通道中的载流子密度，从而改变通道电导率。这种控制电荷传输的机制使得光栅调控机制在光传感器、光调制器等器件中得到广泛应用。

 

此类器件的优点包括光电调控灵活、超灵敏和快速的响应速度等。然而，其缺点主要表现在强光下可能产生饱和效应，导致响应饱和以及一些光学噪声。

 

此外，制备过程中需要考虑光敏材料的选择和器件结构的设计等，以达到更好的性能。

 

 

利用声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)对光电器件进行增强是一种基于声光耦合效应的方法。

 

声光耦合效应常用于光声调制器件和光声表面波传感器等领域。

 

基本原理是通过将光波与声表面波相互耦合，声表面波传播过程中对器件进行调制，从而实现对器件探测能力的增强。

 

这种光声调制效应可用于实现光信号的调制和放大。除此之外，在有声表面波耦合作用的传感器中，声波的引入使得器件对外界环境中的光、温度或其他物理量更加敏感。从而可以提升不同类型探测器件的探测灵敏度。

 

不过这种调制技术需要更为复杂的器件结构和制备工艺，才能实现对声表面波的高精度控制。因此，在具体应用中需要平衡其优劣，确保其在特定场景下的有效性。利用声表面波对光电探测器的调制及增强效果示意图如图所示。

 

光伏型探测器利用的是光生伏特效应。

 

当光照射到半导体表面时，半导体吸收了光子能量，激发电子从价带跃迁至导带，形成电子－空穴对。

 

在光生伏特效应中，半导体材料表面存在内建电场，这导致光生电子和空穴被分离，并在电场的作用下形成电流。该类型器件产生的电流信号可被测量并用于光电探测。

 

在光电探测器中，光生伏特效应已被广泛应用，尤其在太阳能电池领域。通过将光生电荷的分离和电场的作用结合，光生伏特效应使得太阳能电池能够将光能高效转化为电能。该类型器件的优点包括光电转换高效及工作原理简单。然而，其缺点主要在于对光谱范围的敏感性相对较弱以及在弱光条件下的性能表现并不理想。

 

因此为了实现更好的性能，这类器件对于材料的选择和器件设计等方面需要更加全面的考虑。

 

雪崩型探测器的基本原理如图所示：

 

异质结间存在一定的内置电场，反向电压较小的时候器件基本不导通。而在反向电压达到雪崩阈值电压时，内部光生电子和空穴受到高电场的强烈加速获得了大量能量，通过碰撞电离在器件内部形成大量电子空穴对，通过光生电子和空穴的雪崩式增殖，实现光信号的高度放大，其作用效果如同生活中的雪崩现象。

 

雪崩放大机制使得电信号得以放大，进而提高了光电探测器的灵敏度。在应用中，雪崩型光电探测器(APD)被广泛应用于弱光环境下的光信号检测，例如高速通信和光通信系统中的光接收端。

 

其优点包括高增益、低噪声和快速响应速度，在弱光条件下具备卓越的探测性能。然而，雪崩型光电探测器的制备和维护相对复杂，对工作环境的稳定性要求较高。

 

因此，在选择和设计光电探测器时，需要综合考虑其优劣势以满足具体应用需求。

 

雪崩型光电探测器在较短时间内可以迅速形成极大的雪崩增益，其探测效果良好，因此有望在未来取代目前被广泛应用于微弱光探测的光电倍增管。

 

因此,在光电探测器的开发过程中,需全面整合新材料､新工艺､新机理和新方法,力求创造出性能更精确､更高效､更快捷的超灵敏光电探测器,以满足更多复杂场景中的应用需求｡

 

硅基光电探测器是最早被广泛应用的光电探测器之一,其制备工艺简单､性能可靠,在可见光和红外光的响应方面具有一定优势｡但由于其禁带宽度带来的局限性,在日盲波段应用时需要滤光片辅助｡

 

此外,硅材料在高温､高压等极端环境的耐性较差,使得硅基日盲紫外探测器在实际应用中受到一定限制｡

 

近年来,得益于先进的外延生长和气相沉积技术的发展,除了硅(Si)､砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)等传统材料外,碳化硅(SiC)､氮化镓(GaN)､氧化镓(Ga203)等宽禁带半导体材料也逐渐受到关注｡

 

参考文献：

(1)超灵敏日盲紫外探测器的设计和开发[D]  张清怡；

(2)InAs/GaSb类超晶格长波红外探测器制备研究[D] 许佳佳;

(3)InAs/GaSb类超晶格红外探测器表面性质研究[D] 崔玉容;

 

 

来源：半导体全解

关键词： 光电探测器