随着信息时代的飞速发展,信息传播与人类生活密切相关,而光信号则被广泛用作传播信息的载体。在信息传播的终端,需要将光信号转化为电信号,以便于进行信息的处理与存储,而光电探测器作为能够进行光电转化的元器件,在光电系统中有着大量重要的应用。

美佩洛西公然蹿台后,中国人民解放军为捍卫国家尊严,捍卫祖国领土完整,举行了史无空前的大规模围台军演,飞机轰鸣,导弹掠过,这不仅仅让台独分子们战战兢兢,更提醒我们光电探测器在军用领域的作用不容小觑,军用导弹的制导方式是以红外制导为主,同时为了提高导弹的抗红外干扰能力,引入了紫外制导和红外制导共同作用的双色制导方式,这使得导弹可以适应更加复杂的电子对抗环境,准确地探测出定位光源,从而大大地提升导弹的命中能力。

在医疗领域,随着新冠疫情的爆发,无接触式体温检测成为切断病毒传播途径,保障生命安全的一大保障。红外光电探测器能够检测出人体发出的红外光强度,从而正确判断出人体的温度,为疫情防控作出了不可磨灭的贡献。同时在成像领域,光电探测器是CMOS图像传感器的核心元件之一,能够通过光电效应,将相应的可见光信号转换为电荷信号,再经过放大电路和控制模块的作用,就将这个纷繁精彩的世界呈现在我们的眼前。

光电探测器工作原理

光电探测器在光通信系统中对于将光转变成电起着重要作用,这主要是基于半导体材料的光生伏特效应,所谓的光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。要了解光电探测器的工作原理。我们首先需要知道光电导效应,光电导效应是指在光线作用下,电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态,而引起材料电导率的变化。即当光照射到光电导体上时,若这个光电导体为本征半导体材料,且光辐射能量又足够强,光电材料价带上的电子将被激发到导带上去,使光导体的电导率变大。是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象,光子作用于光电导材料,形成本征吸收或杂质吸收,产生附加的光生载流子,从而使半导体的电导率发生变化,从而完成光到电的转化。

光电探测器的基本工作机理包括三个过程:1.光生载流子在光照下产生;2.载流子扩散或漂移形成电流;3.光电流在放大电路中放大并转换为电压信号。当探测器表面有光照射时,如果材料禁带宽度小于入射光光子的能量即<hv,则价带电子可以跃迁到导带形成光电流。

光电探测器的发展方向

自驱动光电探测器

近年来,随着石油,天然气等资源的逐渐稀缺,人们意识到了节能减碳的重要性,因此对于电子元器件的发展提出了低能耗的要求。在这个背景之下,自驱动光电探测器的概念便孕育而生。自驱动光电探测器指的是器件在无需外加偏压的情况下即可对入射光作出响应,获得响应电流。其原理是利用pn结或者是肖特基结的内建电场分离电子空穴对,并且驱动载流子向电极运动,从而形成电流。自驱动光电探测器符合电子元器件小型化,集成化和低功耗的发展趋势,成为了近年来的研究重点。如图为深圳大学屈军乐教授等人在《Nano Energy》上提出的新型钙钛矿自驱动光电探测器原理示意图。

表面等离子体共振效应的应用

在光电探测器中利用表面等离子体共振效应可以有效地增强器件的光吸收,扩展器件的光吸收谱,从而产生更多的电子空穴对,提高器件的响应电流,并且共振波长能够被金属纳米结构的介电环境,尺寸和形状所改变,从而调节吸收波段。规律性分布的金属纳米结构,如孔阵列或者栅线等,能够和光发生相互作用,从而提升器件的光吸收能力。除此之外,从图中能够看出在金属纳米粒子的表面存在着大量自由振荡的电子,并且其具有一定的频率,当这个频率与入射光的频率相等时,那么在金属纳米粒子表面的局部区域内光子与电子发生共振,从而大大地增强了器件对光的吸收。后者的激发条件比较简单,即金属纳米粒子的大小应小于入射光的波长,且改变其大小能够调控共振波段,因此可调节性更好,应用更加灵活,被广泛地用于加强器件的性能。

与CMOS兼容的硅基波导型光电探测器

硅基波导型光电探测器作为一类重要的光电探测器, 由于其能与标准的 CMOS 工艺兼容以及制备工艺简单等性能, 因而在光电子单片集成方面具备广阔的市场应用前景。

由于硅基光子学能够利用现已大规模应用的微电子工艺线, 使得其具备了很好的成本优势和广阔的应用前景, 尤其是近年来国外各大研究机构在此领域取得了显著的进展。迄今为止,一系列的硅光子器件比如低损耗光波导、光衰减器、光波分复用/解复用器、硅激光器等被相继报道。2006年Intel和加州大学洛杉矶分校宣布研究成功世界上第一支混合型 Si-InP 激光器。2022年浙江大学的叶鹏、肖涵等人,制作出了具有超高响应度和比探测率的Si-CMOS兼容2D PtSe2基自驱动光电探测器,这种二硒化铂/超薄二氧化硅/硅异质结构的光电探测器具有高性能、空气稳定、自驱动、室温宽带等优异性能。

利用硅器件技术制作p-n和p-i-n二极管型的光电探测器早已实现, 这种探测器的峰值响应大约在700nm,适合用于光通信中的850nm波段的探测;缺点是无法应用现今光通信的波段1550nm,不能实现微电子与光波回路进行集成。一种解决的方法是通过把Ⅲ -Ⅴ族探测器通过键合的方式集成在硅集成光路上;另一种解决方法是通过离子注入形成深能级缺陷,利用缺陷吸收来实现硅对 1550nm 波长的探测。近年来国外几个研究机构利用该方法制备的硅1550nm光电探测器性能上有了极大改善。除了通过离子注入引入深能级缺陷制作硅基光电探测器,使用Ge/Si异质结、AlGaInAs-Si混合集成等方法也是国内外制作硅基光电探测器的常用手段。

中国及全球光电探测器行业市场现状分析

我们结合国内外光电探测器相关刊物的基础信息以及光电探测器行业研究单位提供的详实资料,结合深入的市场调研资料,立足于当前全球及中国宏观经济、政策、主要行业的对光电探测器行业的影响,并对未来光电探测器行业的发展趋势和前景进行分析和预测。

硅基光电探测器全球市场

硅基光电探测器在本文内是指硅漂移检测器(SDD)和硅光电倍增管(SiPM)。全球硅基光电探测器主要厂商有Hamamatsu、ON Semiconductor、Broadcom、First Sensor、AdvanSiD等,全球前五大厂商共占有大约75%的市场份额。

目前北美是全球最大的硅基光电探测器市场,占有大约40%的市场份额,之后是中国和欧洲市场,二者共占有超过35%的份额。2020年,全球硅基光电探测器市场规模达到了830万美元,预计2026年可以达到1300万美元,年复合增长率(CAGR)为6.9% (2021-2027)。与此同时、中国市场规模增长快速,预计在未来6年内的增长率有望比肩全球市场。

光谱仪光电探测器市场现状

而针对光谱仪光电探测器的市场。全球光谱仪用光电探测器(Photodetector for Spectrometer)的核心厂商包括Hamamatsu、trinamiX和InfraTec等,前三大厂商约占有全球50%的份额。同样北美也是全球最大的市场,占有大约40%的市场份额,之后是亚太和欧洲,均占比接近30%。从产品角度来看,近红外线波段是最大的细分,份额约为30%,其次是远红外线波段,份额约为20%。从应用方面来看,医疗是最大的下游市场,约占40%的份额,其次是食品,约占20%的份额。

综上所述,笔者认为随着科技的进步与发展,光电探测器在国内的受重视程度会逐年提升,同时中国市场占全球光电探测器市场的份额也会相应增加,而在国内市场中,以硅基光电探测器、兼容CMOS的III-V光电探测器为代表的新型高效能光电探测器的发展前景非常广阔,从长远来看,中国在全球光电探测器市场占有一席之地似乎也并非遥不可及的梦想。

世界科企先进进展

英特尔高性能硅基雪崩光电探测器

2008年12月7日,英特尔公司宣布其研究团队在硅光电子学领域取得了又一项重大的技术突破,成功使用基于硅的雪崩光电探测器(Silicon-based Avalanche Photodector)实现了创世界纪录的高性能,这款雪崩光电探测器使用硅和CMOS 工艺实现了有史以来最高的340GHz"增益-带宽积",这为降低40Gbps或更高数据传输速度的光学链路的成本开启了大门,同时也第一次证明了硅光电子元器件的性能可以超过现有的使用磷化铟(lnP)等更昂贵传统材料制造的光电子元器件的性能。作为一项新兴技术,硅光电子学(Silicon Photonics)利用标准硅实现计算机和其它电子设备之间的光信息发送和接收。此项技术也可以应用于对带宽需求高度远程医疗和3D虚拟世界等未来数据密集型计算领域。

日本研制成高性能256×256长波量子点红外光电探测器

量子点红外光电探测器(QDIP)由于可以用成熟的常规GaAs工艺制备,近年来已受到人们的广泛关注。它不仅能够探测正入射光,而且还能在较高的温度下工作。这些都是量子阱红外光电探测器(QWIP)所难以比拟的。

日本国防部技术研究与发展研究所电子系统研究中心通过与富氏实验室有限公司等单位合作,用以分子束外延方法生长的自组装量子点多层膜研制出了一种 256×256 像素长波红外 QDIP 焦平面阵列该红外焦平面阵列的像元间隔为40μm,读出电路采用直接注入式输入结构,积分时间为 8ms帧速为120Hz,F数为2.5,工作温度为80K,为了评价该红外焦平面阵列的性能,研究人员将其装在一个集成探测器制冷机组件内,在 80K 温度下对其输出进行了测量。结果显示,该阵列的峰值响应波长为10.3μm,噪声等效温差为87mK。

兼容CMOS的III-V光电探测器

瑞士和美国的研究人员一直努力在硅光子集成电路(PIC)上集成III-V光电探测器结构。IBM ResearchZürich,ETH Zürich和IBM T.J. Watson研究中心的团队开发了一种工艺,可与主流的互补金属氧化物半导体(CMOS)电子制造相兼容。有源III-V结构由十个InAlGaAs压缩量子阱组成,这些量子阱通过550℃金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长在InP上。该结构在低于300°C的温度下与具有氧化铝结合层的Si-PIC晶片结合。研究人员测试了条宽为200nm和300nm的2μm长光电探测器的响应。300nm宽的设备具有8.5GHz的3dB带宽,而类似的具有直接接触的设备的带宽为1.5GHz。在100GBd开关键的1295nm光信号调制下测试了200nm器件,电光带宽约为65GHz。研究人员认为,调整设备的几何形状可以将带宽增加到100GHz。该团队还执行了100Gbit/s伪随机比特序列OOK测试,通过数字插值演示了1.9×10-3的误码率(BER)。该团队评论说:“此实验令人大开眼界,可以使用多级调制格式,允许每个通道具有更高的容量。

     结语

可以看到,光电探测器不仅在军用领域应用广泛、而且在民用、生活领域中也有大量应用,已经与我们的生活息息相关,为人类的生活提供了极大便利,但是目前一些常用的光电探测器,如PbS等,由于其带有一定的毒性,会对人体和环境造成破坏,因此未来的发展会受到一定的限制。探索一种无毒且资源丰富的材料,优化其光电性能,并将其应用在光电探测器领域,一定能够为人类带来更大的福荫。

作者 yinhua

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