淺談光電探測器和圖像傳感器（五）-原理、材料、器件結(jié)構(gòu)

續(xù)（四）

/00 前言/

前面介紹了按波長分類的紫外、可見、紅外探測器。在器件結(jié)構(gòu)選擇上，不同波段的探測器結(jié)構(gòu)沒有明顯的區(qū)別，三個(gè)波段的探測器件都可以基于光伏、光電導(dǎo)效應(yīng)設(shè)計(jì)不同的器件結(jié)構(gòu)，其中光熱電主要應(yīng)用于紅外波段。材料選擇上，主要基于不同的探測波段選擇對(duì)應(yīng)帶隙的材料，其中紅外需要窄帶隙的材料，而紫外探測對(duì)應(yīng)寬帶隙的材料。本文主要基于”淺談光電探測器和圖像傳感器（四）“的基礎(chǔ)上分別從材料、器件等方面介紹一下新型光電探測器件。

/01 器件結(jié)構(gòu)/

從器件原理上，基于半導(dǎo)體的光電探測器主要可以分為：光伏效應(yīng)型，光電導(dǎo)型，光熱效應(yīng)型，以及其他型（這里暫不討論）。不同的探測原理具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)和特征，其中光電導(dǎo)有望實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)度，但是需要犧牲響應(yīng)速度為代價(jià)，光伏效應(yīng)具有高速、高響應(yīng)度等特點(diǎn)，目前相關(guān)研究最多，熱電效應(yīng)主要用于紅外，存在響應(yīng)速度慢，選擇性低等問題。

中科院上海技物所胡偉達(dá)，王振和謝潤章團(tuán)隊(duì)綜述了不同光電探測原理的器件和光電特性。其中光伏效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)和熱電效應(yīng)可以通過光電流輸出曲線和光電流掃描等方式進(jìn)行表征和區(qū)分。

除了三大光電探測原理外，還有一些其他的新探測機(jī)理，比如鐵電探測、體光伏效應(yīng)、熱電子效應(yīng)、彈道雪崩、Electromagnetic induced well (EIW)、photogating效應(yīng)等。這里暫時(shí)不展開敘述，后續(xù)有機(jī)會(huì)再詳細(xì)總結(jié)一下。

其中基于不同的探測原理，其器件結(jié)構(gòu)也是不同的。因此還可以根據(jù)具體器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)分，如下圖所示。

如上圖所示，從器件結(jié)構(gòu)上說，光電探測的器件結(jié)構(gòu)主要包括：MSM結(jié)構(gòu)，PN結(jié)構(gòu)，PIN結(jié)構(gòu)，MIM結(jié)構(gòu)，MOSFET結(jié)構(gòu)，MOS電容結(jié)構(gòu)，quantum well結(jié)構(gòu)，floating gate結(jié)構(gòu)等。其中傳統(tǒng)材料器件還是基于PN結(jié)和PIN結(jié)構(gòu)為主。而基于新型材料的光電探測器在設(shè)計(jì)新型器件結(jié)構(gòu)上具有更大的自由度。

/02 材料選擇/

從材料上說，光電探測器所選用的材料主要包括:傳統(tǒng)半導(dǎo)體（硅基，鍺基，鍺硅）、化合物半導(dǎo)體（InGaAs,GaN.HgCdTe,InP）、二維材料（石墨烯，硫化鉬，硒化鎢、一維材料（納米線）、零維材料（量子點(diǎn)）、有機(jī)材料、人工結(jié)構(gòu)材料(nanoparticles,Metasurface)。

前面介紹了部分傳統(tǒng)材料的光電探測器，這里主要介紹基于新型材料的光電探測器。

新型材料的發(fā)展也推動(dòng)了更多新型光電探測技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，以二維材料為例，其材料庫覆蓋了從紫外到紅外的全部波段，可用以實(shí)現(xiàn)各種不同的光電探測器件。

基于二維材料的光電器件，其不但能基于傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)制備PN結(jié)型、MS結(jié)型、MOSFET型光電器件，還能借助其范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，制備各種復(fù)雜多端的異質(zhì)結(jié)器件。在傳統(tǒng)材料中，復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)是難以實(shí)現(xiàn)的，這受限于晶格匹配導(dǎo)致的異質(zhì)界面生長問題。雖然異質(zhì)集成對(duì)體材料而言困難重重，然而對(duì)二維材料來說卻是其一大優(yōu)勢，通過范德華力結(jié)合實(shí)現(xiàn)的集成不但工藝簡便，材料選擇自由度大，而且其異質(zhì)結(jié)面十分完美。因此借助這一特性，可以看到，基于二維材料的光電探測器件在設(shè)計(jì)上完全跳出了傳統(tǒng)器件的枷鎖，不再局限于PN結(jié)，PIN結(jié)等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而是出現(xiàn)了各種結(jié)構(gòu)上多端口、多異質(zhì)界面；襯底上可硅基，可柔性；材料上：多維材料結(jié)合的器件構(gòu)型。

以MoS2為例，云南大學(xué)邱鋒老師在一篇綜述里總結(jié)了近年的MoS2的光電探測器如下圖所示?？梢钥吹讲煌亩S材料可以結(jié)合形成不同異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件，二維材料還可以和傳統(tǒng)三維體材料乃至量子點(diǎn)等更低維度材料結(jié)合構(gòu)建不同功能的光電器件。

從波段上看，以紅外探測器為例，二維材料在這一領(lǐng)域也有很多進(jìn)展。從下圖中可以看到二維材料的吸收波段完全可以覆蓋傳統(tǒng)的材料比如HgCdTe，Ge，InGaAs的對(duì)應(yīng)波段。

基于如石墨烯，BP等制備的光電探測器件展示出寬帶探測、高響應(yīng)度、高速度等性能，乃至實(shí)現(xiàn)偏振探測等功能。其中如下圖所示，二維材料graphene以其半金屬的能帶特性，幾乎可以覆蓋全頻段的紅外探測光譜。值得注意的是，很多文章也報(bào)道了石墨烯在可見、紫外、X射線、THZ等波段展示出優(yōu)異的性能，其能帶隙、高遷移率、vdW界面特性等使得石墨烯真正有望實(shí)現(xiàn)all-in-one的探測器件。

除了新型材料，人工結(jié)構(gòu)材料也是目前光電探測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通過表面等離激元振蕩激發(fā)熱載流子，可以實(shí)現(xiàn)材料對(duì)特定波段的吸收增強(qiáng)、偏振選擇、光譜選擇等功能。

表面等離激元是光與物質(zhì)相互作用增強(qiáng)后產(chǎn)生的一種極化激元，是自由電子同入射光場耦合發(fā)生同頻率集體振蕩的電磁振蕩模式。通過特定的人工微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以得到不同的表面等離激元結(jié)構(gòu)。通過等離激元波的傳播模式劃分，表面等離激元又分為傳播的表面等離極化激元（ propagating surface plasmon polaritons， SPPs）和局域的表面等離激元（localized surface plasmon resonance， LSPR）， 它們可以打破衍射極限將光場局域在亞波長范圍（通過特殊設(shè)計(jì)甚至可以使得其光場局域在一個(gè)原子尺度范圍內(nèi)）。

將不同的表面等離激元結(jié)構(gòu)和不同的器件構(gòu)型相結(jié)合后又可以得到不同的新型器件，其具體分類如圖所示。如上節(jié)所示，器件按照結(jié)構(gòu)可以分為光導(dǎo)探測器、p-i-n 光電探測器、MIM探測器和肖特基勢壘探測器等不同構(gòu)型。這些探測器中的等離子體效應(yīng)可以通過金屬納米粒子中的局域化表面等離子體 (LSPR)、波導(dǎo)中的表面等離子體 (SPP) 和光柵型等離子體來增強(qiáng)。

以石墨烯為例，ref16中列舉了一些石墨烯和不同圖形化的表面等離激元結(jié)構(gòu)結(jié)合的器件示意圖。實(shí)際上， 石墨烯既可以與金屬納米結(jié)構(gòu)結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，也可以將石墨烯自身圖形化為特定結(jié)構(gòu)并激發(fā)其表面等離激元， 其與基于金屬的等離激元相比具備更高的場可調(diào)性。

/03 性能指標(biāo)/

對(duì)光電探測器其性能指標(biāo)主要是從device level進(jìn)行考量。作為一個(gè)光電器件而言，圍繞其輸入輸出特性，主要考慮的參數(shù)包括響應(yīng)度、響應(yīng)時(shí)間、探測度，動(dòng)態(tài)范圍，噪聲等效功率等。其中光電導(dǎo)器件，PVFET型器件和Floating Gate型器件由于其器件原理決定的其光信號(hào)增益，在性能評(píng)估時(shí)還需考慮光電增益G。

Png Ching Eng等人從器件結(jié)構(gòu)角度綜述了不同紅外光電探測器件的研究進(jìn)展。Fuwei Zhuge等人從材料角度綜述了紅外探測器的近年進(jìn)展。

復(fù)旦大學(xué)方曉生課題組綜述了近年來低維寬禁帶半導(dǎo)體紫外光電探測器的研究進(jìn)展和性能對(duì)比，如下圖所示，可以看到，隨著新材料、新器件的探索，近年來在低維新型材料紫外探測領(lǐng)域取得了很多性能上的進(jìn)展。

由于紫外到近紅外，入射光子能量(0.1eV~10 eV)和材料帶隙基本是一個(gè)水平，所以探測原理基本以直接探測為主。而對(duì)于X射線和高能電子，其能量在KeV及其以上量級(jí)，其光電過程也更加復(fù)雜，從探測原理上說其主要分為直接探測和間接探測兩大類。X射線探測這一部分后續(xù)再展開討論。

/04 應(yīng)用領(lǐng)域/

不同波段光電探測器件的應(yīng)用場景不同，具體說來主要分為：

紫外光電探測器件主要應(yīng)用于：環(huán)境監(jiān)測（大氣臭氧層監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、土壤污染監(jiān)測等）、輻射探測、航空航天、工業(yè)檢測（半導(dǎo)體缺陷檢測、食品安全檢測、偽鈔識(shí)別等）等領(lǐng)域。
可見光光電探測器件主要應(yīng)用于：圖像采集(數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、機(jī)器視覺、VR/AR等)、光學(xué)測量等（光譜分析、光學(xué)顯微鏡、工業(yè)視覺檢測）。

紅外光電探測器件主要應(yīng)用于：熱成像（夜視儀、紅外測溫儀）、生物醫(yī)學(xué)（生物成像、生物信號(hào)檢測）、軍事（導(dǎo)彈制導(dǎo)、目標(biāo)識(shí)別等）、工業(yè)（非接觸式測溫、物料檢測等）、光通信等。

/05 X射線探測：序/

X射線影像設(shè)備是一種利用X射線穿透物質(zhì)的特性，將人體組織或工件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和缺陷轉(zhuǎn)換為圖像的技術(shù)。它廣泛應(yīng)用于醫(yī)療健康、工業(yè)無損探測等領(lǐng)域，在疾病診斷、缺陷檢測等方面發(fā)揮著重要作用。近年來，隨著科技的進(jìn)步，X射線影像設(shè)備不斷發(fā)展，朝著更高空間分辨率、更低X射線劑量、更低成本的方向發(fā)展?；赬射線的成像、探測等設(shè)備主要基于X射線的穿透作用、差別吸收、感光作用和熒光作用來實(shí)現(xiàn)特定功能。

根據(jù)工作原理，X射線探測器可以分為直接探測和間接探測器。

直接探測器: 直接探測器利用X射線與材料的相互作用直接產(chǎn)生電信號(hào)。

間接探測器: 間接探測器利用X射線與材料的相互作用產(chǎn)生光信號(hào)，再將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，比如閃爍體探測器。

根據(jù)探測內(nèi)容可以細(xì)分為以下三類：

測量入射 X 射線的輻射功率 - 這類探測器主要用于量化 X 射線的強(qiáng)度。

測量光譜靈敏的探測器 - 這類探測器可以測量不同波長的 X 射線強(qiáng)度分布。

測量空間強(qiáng)度分布的探測器 - 這類探測器可以描繪 X 射線強(qiáng)度的空間分布。

從原理上說，X射線的探測主要還是基于光和物質(zhì)的相互作用，不過有別于紫外可見波段，紫外可見波段主要基于內(nèi)光電效應(yīng)為主，通過光生載流子和后續(xù)的載流子分離實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。X射線波段由于其入射光子的高能量特性和強(qiáng)的粒子性，使得其與物質(zhì)作用后會(huì)產(chǎn)生一系列復(fù)雜的效應(yīng)。

其中對(duì)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換有貢獻(xiàn)的主要包括：內(nèi)光電效應(yīng)、外光電效應(yīng)、康普頓散射等。

參考資料：

1. https://www.teamwavelength.com/photodiode-basics/

2.https://www.electronics-tutorials.ws/diode/schottky-diode.html

3. Graphene Schottky diodes: an experimental review of the rectifying graphene/semiconductor heterojunction

4.Reconfigurable two-dimensional optoelectronic devices enabled by local ferroelectric polarization

5. Photovoltage field-effect transistors.2017,Nature

6.Chow, P.C.Y., Matsuhisa, N., Zalar, P. et al. Dual-gate organic phototransistor with high-gain and linear photoresponse. Nat Commun 9, 4546 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-06907-6

7. Tao Hu, Rui Zhang, Jin-Ping Li, Jian-Yun Cao, Feng Qiu,
Photodetectors based on two-dimensional MoS2 and its assembled heterostructures,Chip,2022,100017,ISSN 2709-4723,https://doi.org/10.1016/j.chip.2022.100017.

8. Plasmon-assisted resonant tunneling in graphene-based heterostructures

9. https://www.circuitstoday.com/charge-coupled-devices-ccd

10. Chen, Y., Wang, Y., Wang, Z. et al. Unipolar barrier photodetectors based on van der Waals heterostructures. Nat Electron 4, 357–363 (2021). https://doi.org/10.1038/s41928-021-00586-w

11. Above-bandgap voltages from ferroelectric photovoltaic devices，2010，Nature Nanotechnology

12. Photogating in Low Dimensional Photodetectors

13.Brongersma, M.L., N.J. Halas, and P. Nordlander, Plasmon-induced hot carrier science and technology. Nat. Nanotechnol., 2015. 10 (1): p. 25-34

14.MoS2/h-BN/Graphene Heterostructure and Plasmonic Effect for
Self-Powering Photodetector: A Review

15. How to characterize figures of merit of two-dimensional photodetectors

16.基于二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的新型熱載流子器件的研究

17.Li, Z., Yan, T. & Fang, X. Low-dimensional wide-bandgap semiconductors for UV photodetectors. Nat Rev Mater 8, 587–603 (2023). https://doi.org/10.1038/s41578-023-00583-9

18.State-of-the-art photodetectors for optoelectronic integration at telecommunication wavelength

19.Sensors，Recent Progress in Improving the Performance of Infrared Photodetectors via Optical Field Manipulations (mdpi.com)

20.http://x-ray-optics.eu/index.php/en/detectors

21.X射線探測器的研究現(xiàn)狀與展望，2021，侯玉欣