光電探測器的未來撲朔迷離？

特邀作者：陳智超

南京航空航天大學 材料科學與技術(shù)學院

光電探測器通過光電效應，將可見光信號轉(zhuǎn)換為電荷信號，再經(jīng)過放大電路和控制模塊的作用，就將這個紛繁精彩的世界呈現(xiàn)在我們的眼前。

隨著信息時代的飛速發(fā)展，信息傳播與人類生活密切相關(guān)，而光信號則被廣泛用作傳播信息的載體。在信息傳播的終端，需要將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，以便于進行信息的處理與存儲，而光電探測器作為能夠進行光電轉(zhuǎn)化的元器件，在光電系統(tǒng)中有著大量重要的應用。

美佩洛西公然躥臺后，中國人民解放軍為捍衛(wèi)國家尊嚴，捍衛(wèi)祖國領(lǐng)土完整，舉行了史無空前的大規(guī)模圍臺軍演，飛機轟鳴，導彈掠過，這不僅僅讓臺獨分子們戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢，更提醒我們光電探測器在軍用領(lǐng)域的作用不容小覷，軍用導彈的制導方式是以紅外制導為主，同時為了提高導彈的抗紅外干擾能力，引入了紫外制導和紅外制導共同作用的雙色制導方式，這使得導彈可以適應更加復雜的電子對抗環(huán)境，準確地探測出定位光源，從而大大地提升導彈的命中能力。

在醫(yī)療領(lǐng)域，隨著新冠疫情的爆發(fā)，無接觸式體溫檢測成為切斷病毒傳播途徑，保障生命安全的一大保障。紅外光電探測器能夠檢測出人體發(fā)出的紅外光強度，從而正確判斷出人體的溫度，為疫情防控作出了不可磨滅的貢獻。同時在成像領(lǐng)域，光電探測器是CMOS圖像傳感器的核心元件之一，能夠通過光電效應，將相應的可見光信號轉(zhuǎn)換為電荷信號，再經(jīng)過放大電路和控制模塊的作用，就將這個紛繁精彩的世界呈現(xiàn)在我們的眼前。

光電探測器工作原理

光電探測器在光通信系統(tǒng)中對于將光轉(zhuǎn)變成電起著重要作用，這主要是基于半導體材料的光生伏特效應，所謂的光生伏特效應是指光照使不均勻半導體或半導體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。要了解光電探測器的工作原理。我們首先需要知道光電導效應，光電導效應是指在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)，而引起材料電導率的變化。即當光照射到光電導體上時，若這個光電導體為本征半導體材料，且光輻射能量又足夠強，光電材料價帶上的電子將被激發(fā)到導帶上去，使光導體的電導率變大。是指由輻射引起被照射材料電導率改變的一種物理現(xiàn)象，光子作用于光電導材料，形成本征吸收或雜質(zhì)吸收，產(chǎn)生附加的光生載流子，從而使半導體的電導率發(fā)生變化，從而完成光到電的轉(zhuǎn)化。

光電探測器的基本工作機理包括三個過程：1.光生載流子在光照下產(chǎn)生；2.載流子擴散或漂移形成電流；3.光電流在放大電路中放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號。當探測器表面有光照射時，如果材料禁帶寬度小于入射光光子的能量即<hv，則價帶電子可以躍遷到導帶形成光電流。

光電探測器的發(fā)展方向

自驅(qū)動光電探測器

近年來，隨著石油，天然氣等資源的逐漸稀缺，人們意識到了節(jié)能減碳的重要性，因此對于電子元器件的發(fā)展提出了低能耗的要求。在這個背景之下，自驅(qū)動光電探測器的概念便孕育而生。自驅(qū)動光電探測器指的是器件在無需外加偏壓的情況下即可對入射光作出響應，獲得響應電流。其原理是利用pn結(jié)或者是肖特基結(jié)的內(nèi)建電場分離電子空穴對，并且驅(qū)動載流子向電極運動，從而形成電流。自驅(qū)動光電探測器符合電子元器件小型化，集成化和低功耗的發(fā)展趨勢，成為了近年來的研究重點。如圖為深圳大學屈軍樂教授等人在《Nano Energy》上提出的新型鈣鈦礦自驅(qū)動光電探測器原理示意圖。

表面等離子體共振效應的應用

在光電探測器中利用表面等離子體共振效應可以有效地增強器件的光吸收，擴展器件的光吸收譜，從而產(chǎn)生更多的電子空穴對，提高器件的響應電流，并且共振波長能夠被金屬納米結(jié)構(gòu)的介電環(huán)境，尺寸和形狀所改變，從而調(diào)節(jié)吸收波段。規(guī)律性分布的金屬納米結(jié)構(gòu)，如孔陣列或者柵線等，能夠和光發(fā)生相互作用，從而提升器件的光吸收能力。除此之外，從圖中能夠看出在金屬納米粒子的表面存在著大量自由振蕩的電子，并且其具有一定的頻率，當這個頻率與入射光的頻率相等時，那么在金屬納米粒子表面的局部區(qū)域內(nèi)光子與電子發(fā)生共振，從而大大地增強了器件對光的吸收。后者的激發(fā)條件比較簡單，即金屬納米粒子的大小應小于入射光的波長，且改變其大小能夠調(diào)控共振波段，因此可調(diào)節(jié)性更好，應用更加靈活，被廣泛地用于加強器件的性能。

與CMOS兼容的硅基波導型光電探測器

硅基波導型光電探測器作為一類重要的光電探測器, 由于其能與標準的 CMOS 工藝兼容以及制備工藝簡單等性能, 因而在光電子單片集成方面具備廣闊的市場應用前景。

由于硅基光子學能夠利用現(xiàn)已大規(guī)模應用的微電子工藝線, 使得其具備了很好的成本優(yōu)勢和廣闊的應用前景, 尤其是近年來國外各大研究機構(gòu)在此領(lǐng)域取得了顯著的進展。迄今為止,一系列的硅光子器件比如低損耗光波導、光衰減器、光波分復用/解復用器、硅激光器等被相繼報道。2006年Intel和加州大學洛杉磯分校宣布研究成功世界上第一支混合型 Si-InP 激光器。2022年浙江大學的葉鵬、肖涵等人，制作出了具有超高響應度和比探測率的Si-CMOS兼容2D PtSe2基自驅(qū)動光電探測器，這種二硒化鉑/超薄二氧化硅/硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電探測器具有高性能、空氣穩(wěn)定、自驅(qū)動、室溫寬帶等優(yōu)異性能。

利用硅器件技術(shù)制作p-n和p-i-n二極管型的光電探測器早已實現(xiàn), 這種探測器的峰值響應大約在700nm，適合用于光通信中的850nm波段的探測；缺點是無法應用現(xiàn)今光通信的波段1550nm，不能實現(xiàn)微電子與光波回路進行集成。一種解決的方法是通過把Ⅲ -Ⅴ族探測器通過鍵合的方式集成在硅集成光路上；另一種解決方法是通過離子注入形成深能級缺陷,利用缺陷吸收來實現(xiàn)硅對 1550nm 波長的探測。近年來國外幾個研究機構(gòu)利用該方法制備的硅1550nm光電探測器性能上有了極大改善。除了通過離子注入引入深能級缺陷制作硅基光電探測器，使用Ge/Si異質(zhì)結(jié)、AlGaInAs-Si混合集成等方法也是國內(nèi)外制作硅基光電探測器的常用手段。

中國及全球光電探測器行業(yè)市場現(xiàn)狀分析

我們結(jié)合國內(nèi)外光電探測器相關(guān)刊物的基礎(chǔ)信息以及光電探測器行業(yè)研究單位提供的詳實資料，結(jié)合深入的市場調(diào)研資料，立足于當前全球及中國宏觀經(jīng)濟、政策、主要行業(yè)的對光電探測器行業(yè)的影響，并對未來光電探測器行業(yè)的發(fā)展趨勢和前景進行分析和預測。

硅基光電探測器全球市場

硅基光電探測器在本文內(nèi)是指硅漂移檢測器（SDD）和硅光電倍增管（SiPM）。全球硅基光電探測器主要廠商有Hamamatsu、ON Semiconductor、Broadcom、First Sensor、AdvanSiD等，全球前五大廠商共占有大約75%的市場份額。

目前北美是全球最大的硅基光電探測器市場，占有大約40%的市場份額，之后是中國和歐洲市場，二者共占有超過35%的份額。2020年，全球硅基光電探測器市場規(guī)模達到了830萬美元，預計2026年可以達到1300萬美元，年復合增長率(CAGR)為6.9% (2021-2027)。與此同時、中國市場規(guī)模增長快速，預計在未來6年內(nèi)的增長率有望比肩全球市場。 

光譜儀光電探測器市場現(xiàn)狀

而針對光譜儀光電探測器的市場。全球光譜儀用光電探測器（Photodetector for Spectrometer）的核心廠商包括Hamamatsu、trinamiX和InfraTec等，前三大廠商約占有全球50%的份額。同樣北美也是全球最大的市場，占有大約40%的市場份額，之后是亞太和歐洲，均占比接近30%。從產(chǎn)品角度來看，近紅外線波段是最大的細分，份額約為30%，其次是遠紅外線波段，份額約為20%。從應用方面來看，醫(yī)療是最大的下游市場，約占40%的份額，其次是食品，約占20%的份額。

綜上所述，筆者認為隨著科技的進步與發(fā)展，光電探測器在國內(nèi)的受重視程度會逐年提升，同時中國市場占全球光電探測器市場的份額也會相應增加，而在國內(nèi)市場中，以硅基光電探測器、兼容CMOS的III-V光電探測器為代表的新型高效能光電探測器的發(fā)展前景非常廣闊，從長遠來看，中國在全球光電探測器市場占有一席之地似乎也并非遙不可及的夢想。

世界科企先進進展

英特爾高性能硅基雪崩光電探測器

2008年12月7日，英特爾公司宣布其研究團隊在硅光電子學領(lǐng)域取得了又一項重大的技術(shù)突破，成功使用基于硅的雪崩光電探測器（Silicon-based Avalanche Photodector）實現(xiàn)了創(chuàng)世界紀錄的高性能，這款雪崩光電探測器使用硅和CMOS 工藝實現(xiàn)了有史以來最高的340GHz"增益-帶寬積"，這為降低40Gbps或更高數(shù)據(jù)傳輸速度的光學鏈路的成本開啟了大門，同時也第一次證明了硅光電子元器件的性能可以超過現(xiàn)有的使用磷化銦（lnP）等更昂貴傳統(tǒng)材料制造的光電子元器件的性能。作為一項新興技術(shù)，硅光電子學（Silicon Photonics）利用標準硅實現(xiàn)計算機和其它電子設(shè)備之間的光信息發(fā)送和接收。此項技術(shù)也可以應用于對帶寬需求高度遠程醫(yī)療和3D虛擬世界等未來數(shù)據(jù)密集型計算領(lǐng)域。

日本研制成高性能256×256長波量子點紅外光電探測器

量子點紅外光電探測器（QDIP）由于可以用成熟的常規(guī)GaAs工藝制備，近年來已受到人們的廣泛關(guān)注。它不僅能夠探測正入射光，而且還能在較高的溫度下工作。這些都是量子阱紅外光電探測器（QWIP）所難以比擬的。

日本國防部技術(shù)研究與發(fā)展研究所電子系統(tǒng)研究中心通過與富氏實驗室有限公司等單位合作，用以分子束外延方法生長的自組裝量子點多層膜研制出了一種 256×256 像素長波紅外 QDIP 焦平面陣列該紅外焦平面陣列的像元間隔為40μm，讀出電路采用直接注入式輸入結(jié)構(gòu),積分時間為 8ms幀速為120Hz，F(xiàn)數(shù)為2.5,工作溫度為80K，為了評價該紅外焦平面陣列的性能，研究人員將其裝在一個集成探測器制冷機組件內(nèi)，在 80K 溫度下對其輸出進行了測量。結(jié)果顯示，該陣列的峰值響應波長為10.3μm，噪聲等效溫差為87mK。

兼容CMOS的III-V光電探測器

瑞士和美國的研究人員一直努力在硅光子集成電路（PIC）上集成III-V光電探測器結(jié)構(gòu)。IBM ResearchZürich，ETH Zürich和IBM T.J. Watson研究中心的團隊開發(fā)了一種工藝，可與主流的互補金屬氧化物半導體（CMOS）電子制造相兼容。有源III-V結(jié)構(gòu)由十個InAlGaAs壓縮量子阱組成，這些量子阱通過550℃金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）生長在InP上。該結(jié)構(gòu)在低于300°C的溫度下與具有氧化鋁結(jié)合層的Si-PIC晶片結(jié)合。研究人員測試了條寬為200nm和300nm的2μm長光電探測器的響應。300nm寬的設(shè)備具有8.5GHz的3dB帶寬，而類似的具有直接接觸的設(shè)備的帶寬為1.5GHz。在100GBd開關(guān)鍵的1295nm光信號調(diào)制下測試了200nm器件,電光帶寬約為65GHz。研究人員認為，調(diào)整設(shè)備的幾何形狀可以將帶寬增加到100GHz。該團隊還執(zhí)行了100Gbit/s偽隨機比特序列OOK測試，通過數(shù)字插值演示了1.9x10-3的誤碼率（BER）。該團隊評論說：“此實驗令人大開眼界，可以使用多級調(diào)制格式，允許每個通道具有更高的容量。

結(jié)語

可以看到，光電探測器不僅在軍用領(lǐng)域應用廣泛、而且在民用、生活領(lǐng)域中也有大量應用，已經(jīng)與我們的生活息息相關(guān)，為人類的生活提供了極大便利，但是目前一些常用的光電探測器，如PbS等，由于其帶有一定的毒性，會對人體和環(huán)境造成破壞，因此未來的發(fā)展會受到一定的限制。探索一種無毒且資源豐富的材料，優(yōu)化其光電性能，并將其應用在光電探測器領(lǐng)域，一定能夠為人類帶來更大的福蔭。