淺談光電探測(cè)器與圖像傳感器（四）

光電探測(cè)器是能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的器件，通常都是通過(guò)光電效應(yīng)進(jìn)行直接轉(zhuǎn)化。其也通過(guò)其他信號(hào)進(jìn)行間接轉(zhuǎn)化，比如光-熱-電，光-磁-電，光-聲-電等。光電探測(cè)器廣泛應(yīng)用于通信、成像、傳感和醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。

1. 按照波長(zhǎng)分類

光電探測(cè)器按照波長(zhǎng)可以分為可見(jiàn)光探測(cè)器，紅外探測(cè)器，紫外探測(cè)器，X射線探測(cè)器、高能粒子探測(cè)器等。

可見(jiàn)光探測(cè)器

其中可見(jiàn)光波段的范圍是400-700nm，在消費(fèi)類產(chǎn)品最為常見(jiàn)，比如我們常用的照相機(jī)就是基于CMOS圖像傳感器的?？梢?jiàn)光探測(cè)器一般選用硅作為吸收層，因此多為硅基探測(cè)器，主要有PN結(jié)型，PIN型，APD型探測(cè)器。其中圖像傳感器的像素多基于PN結(jié)型，單點(diǎn)探測(cè)器多基于PIN和APD結(jié)構(gòu)。

紫外光探測(cè)器

紫外線（UV）其波長(zhǎng)范圍為190-380 nm，處于人眼不可見(jiàn)的輻射波段。在太陽(yáng)所放射的輻射光譜中，紫外線在穿越地球的大氣層時(shí)，會(huì)因大氣中的氧氣、臭氧、水分等物質(zhì)的吸收和散射而被大幅削弱，其中波長(zhǎng)低280 nm的紫外線幾乎完全被大氣層所散射和吸收。其中，波長(zhǎng)低于280nm的不能透過(guò)大氣層，幾乎被吸收，被稱為“日盲波段”。日盲波段的利用可以可以在全日光下，排除背景的干擾，實(shí)現(xiàn)低誤報(bào)，高信噪，強(qiáng)抗干擾的探測(cè)，在軍工民用領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。

紫外光電探測(cè)器在空間探索、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境檢測(cè)、半導(dǎo)體制造、過(guò)程監(jiān)控、通信和成像等許多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。目前商用紫外探測(cè)器除了傳統(tǒng)硅基外，還有一大部分是基于寬禁帶半導(dǎo)體，比如第三代半導(dǎo)體，GaN，SiC，以及氧化鎵。硅基雖然有工藝成熟度高，產(chǎn)業(yè)成熟，成本低等優(yōu)勢(shì)，其可以實(shí)現(xiàn)紫外探測(cè)，但是其吸收效率相比其在可見(jiàn)低，因此近年也有很多關(guān)于硅基紫外增強(qiáng)的工作開(kāi)展。

同時(shí)，科學(xué)家們也還在持續(xù)探索新型材料（比如復(fù)旦大學(xué)方曉生等提出可以將2D Ca2Nb3O10納米片用于UV探測(cè)器）和新型器件（南京郵電大學(xué)薛俊俊、汪金副教授研究組和南京大學(xué)陳敦軍教授團(tuán)隊(duì)合作，提出了基于p-AlGaN/n-GaN納米線結(jié)構(gòu)的光伏效應(yīng)的光電化學(xué)型紫外探測(cè)器PEC UV PDs）用于紫外探測(cè)的可能性。新材料和結(jié)構(gòu)的探索可以有望提升紫外探測(cè)器的性能，降低成本，擴(kuò)大應(yīng)用場(chǎng)景。比如有機(jī)材料，氧化物材料等薄膜材料，這類材料有望實(shí)現(xiàn)非硅基的薄膜柔性探測(cè)器，從而擴(kuò)大應(yīng)用場(chǎng)景。

除了尋找高紫外波段吸收效率的材料作為吸收層，制備直接探測(cè)器外，還可以選擇高紫外波段吸收材料作為中間層，將紫外光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光進(jìn)行探測(cè)。這一類探測(cè)器也叫間接探測(cè)器，在X射線等高能波段比較常用（間接探測(cè)部分后續(xù)會(huì)在X射線和高能粒子部分展開(kāi)說(shuō)。）。最近瀏覽網(wǎng)頁(yè)看到Quantum Solutions公司就是借助這一思路，通過(guò)具有下轉(zhuǎn)換作用的量子點(diǎn)層制備在圖像傳感器上層，實(shí)現(xiàn)UV-VIS轉(zhuǎn)換。

Quantum Solutions公司是一家專注于量子點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用的公司。該公司致力于開(kāi)發(fā)量子點(diǎn)的平臺(tái)化解決方案，并將其應(yīng)用于CIS，photodetector 等光電器件中，使其相比傳統(tǒng)CIS ，PD解決方案展現(xiàn)出更高性能和更多功能。有意思的是，該公司官網(wǎng)目前展示兩個(gè)應(yīng)用，一個(gè)是上圖UV Sensor，一個(gè)是SWIR Image Sensors。量子點(diǎn)用于SWIR這個(gè)并不奇怪，之前文章中也提到過(guò)imec等公司在這領(lǐng)域的研究。

對(duì)應(yīng)還有一個(gè)相機(jī)產(chǎn)品，據(jù)介紹Emberion的第一代VIS-SWIR VGA（640 x 512像素）相機(jī)由基于納米材料的光電探測(cè)器陣列組成，與Quantum Solutions的QDot?量子點(diǎn)相結(jié)合。量子點(diǎn)被單片地集成到定制的CMOS ROIC上，并具有低噪聲性能。該相機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)之一是其優(yōu)越的響應(yīng)范圍。該相機(jī)能夠在可見(jiàn)光（400nm）到短波紅外（2000nm）波長(zhǎng)的廣泛光譜范圍內(nèi)運(yùn)行，幀率高達(dá)100 fps，并具有高動(dòng)態(tài)范圍。下一代旨在達(dá)到400 fps。光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化，從而降低相機(jī)成本并提高可擴(kuò)展性。

紅外光探測(cè)器

紅外探測(cè)器在軍事、醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)、航空航天，民用等領(lǐng)域都有關(guān)鍵作用，已廣泛應(yīng)用于太空監(jiān)視系統(tǒng)、彈道導(dǎo)彈發(fā)射探測(cè)系統(tǒng)、非接觸式溫度測(cè)量、運(yùn)動(dòng)傳感器、紅外光譜學(xué)、夜視設(shè)備、彈頭尋址系統(tǒng)、全息信息記錄和處理系統(tǒng)等的基礎(chǔ)。

根據(jù)工作原理和材料體系的不同，紅外光探測(cè)器可以分為以下幾種主要類型：

熱敏探測(cè)器：主要包括熱電偶、熱電阻、其工作原理是基于紅外光照射下產(chǎn)生的溫度變化來(lái)產(chǎn)生電信號(hào)。

光電探測(cè)器：主要包括光電二極管、光電導(dǎo)、光電陣列等，其工作原理是基于光電導(dǎo)和光生伏特效應(yīng)。

熱電探測(cè)器：主要包括熱電堆和輻射熱計(jì)探測(cè)器，其工作原理是基于熱敏材料在紅外光照射下產(chǎn)生的溫度變化引起的熱電效應(yīng)。

紅外探測(cè)器按照是否低溫工作分為制冷型和非制冷型，其中制冷型一般為光電探測(cè)性，非制冷型一般為熱電型。制冷型具有高響應(yīng)速度，高響應(yīng)度、高信噪比等性能優(yōu)勢(shì)，常用于軍工，科研、高端民用等領(lǐng)域。非制冷型無(wú)需制冷裝置，能夠工作在室溫狀態(tài)下，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗小、壽命長(zhǎng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

《Infrared detector》這本書(shū)中給出了各種紅外探測(cè)器的對(duì)比，總的來(lái)說(shuō)熱探測(cè)器主要問(wèn)題還是性能上靈敏度低，信噪比低，優(yōu)勢(shì)在于成本低、無(wú)需制冷。而光電型探測(cè)器多基于制冷，難以實(shí)現(xiàn)室溫工作。量子阱型主要問(wèn)題在于在于制作工藝復(fù)雜，優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)多色探測(cè)。量子點(diǎn)的生長(zhǎng)和工藝成熟度上還有待發(fā)展。

當(dāng)然隨著技術(shù)的發(fā)展，人們也在不斷探索高性能非制冷型紅外探測(cè)器。近日在Nature上就發(fā)表了一款常溫工作的非制冷型Si-Ge紅外探測(cè)器。

說(shuō)回?zé)崽綔y(cè)器。紅外熱探測(cè)器和紅外熱電探測(cè)器是兩種常見(jiàn)的紅外光探測(cè)器。熱探測(cè)器和熱電探測(cè)器的總結(jié)如下表所示。紅外熱探測(cè)器利用物體在紅外波段的熱輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量或熱圖像的獲取。其工作原理是通過(guò)接收物體所發(fā)出的紅外輻射，并將輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。熱電探測(cè)器是基于熱電效應(yīng)，其工作原理是基于材料在光照射下產(chǎn)生溫度變化時(shí)產(chǎn)生的熱電壓或熱電流。

近年來(lái)發(fā)展最多最快的還是光電型紅外探測(cè)器，伴隨著新材料新結(jié)構(gòu)的探索，光電紅外探測(cè)器向著非制冷、寬波段、高性能、微型化、智能化方向發(fā)展。

光電型紅外探測(cè)器常見(jiàn)的材料體系和應(yīng)用場(chǎng)景總結(jié)如下表。

紅外探測(cè)器的器件種類比較多。傳統(tǒng)紅外探測(cè)器按照材料分類包括:

• 碲鎘汞（HgCdTe）：碲鎘汞是最常見(jiàn)和廣泛應(yīng)用于紅外探測(cè)器的材料之一。通過(guò)調(diào)節(jié)汞和鎘的比例，可以實(shí)現(xiàn)碲鎘汞材料在不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)的探測(cè)。銦砷磷化鎘（InAsSb）：銦砷磷化鎘是另一種常用的紅外探測(cè)器材料，主要用于MWIR和LWIR區(qū)域。
• 銦磷化鎘（InP）：銦磷化鎘在SWIR和近紅外區(qū)域具有良好的性能，被廣泛應(yīng)用于光通信、激光雷達(dá)等領(lǐng)域。
• Si：硅在紅外波段的透過(guò)率較低。需要通過(guò)特殊處理或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才可用于近紅外波段探測(cè)。
• InPb：釙化銦是一種窄帶隙材料，常用于制備中波紅外探測(cè)器。
• 銦磷化鎘銦（InGaAs）：銦磷化鎘銦是一種復(fù)合材料，可用于制備近紅外和短波紅外探測(cè)器。
• 銦銻化銦（InSb）：銦銻化銦是一種狹帶隙材料，常用于制備短波紅外探測(cè)器。

除了傳統(tǒng)探測(cè)器外，隨著新材料新結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，近年還誕生了一批新型紅外探測(cè)器，比如量子點(diǎn)IR探測(cè)器，石墨烯IR探測(cè)器等。

除了選擇高紅外吸收的材料外，目前還有各種實(shí)現(xiàn)紅外吸收增強(qiáng)的人造結(jié)構(gòu)，比如限光結(jié)構(gòu)，plasmonic結(jié)構(gòu)，光子晶體結(jié)構(gòu)，F(xiàn)P腔增強(qiáng)結(jié)構(gòu)等。

HgCdTe是一種比較理想的紅外探測(cè)材料，是由汞鎘元素以不同比例混合而成的化合物，其比例的變化可以調(diào)節(jié)其能帶結(jié)構(gòu)，使之適應(yīng)不同的紅外波長(zhǎng)范圍。碲鎘汞材料具有優(yōu)異的光電特性，包括高靈敏度、快速響應(yīng)速度、寬波長(zhǎng)范圍、低噪聲等特點(diǎn)，因此在紅外探測(cè)器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)組分調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)1~16+ um的紅外吸收，此外其還具有載流子濃度高，遷移率高等優(yōu)點(diǎn)。此外隨著組分改變，其晶格常數(shù)幾乎不變，適用于制備多層異質(zhì)結(jié)等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在碲鎘汞紅外探測(cè)器上取得諸多進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了從單點(diǎn)探測(cè)器到線陣探測(cè)器，面陣探測(cè)器到百萬(wàn)像素級(jí)大面陣探測(cè)器，單色探測(cè)器到多色探測(cè)器的發(fā)展。

量子點(diǎn)紅外探測(cè)器是一種基于量子點(diǎn)材料作為主要吸光層的紅外光探測(cè)器。其優(yōu)點(diǎn)在于波段選擇性高，范圍大，可通過(guò)組分調(diào)節(jié)進(jìn)行調(diào)控，缺點(diǎn)是目前工業(yè)化工藝不成熟，響應(yīng)速度慢，穩(wěn)定性差。

紅外探測(cè)器內(nèi)容有點(diǎn)多，下次再好好整理一下~

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