淺談光電探測器與圖像傳感器（四）

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

1. 按照波長分類

光電探測器按照波長可以分為可見光探測器，紅外探測器，紫外探測器，X射線探測器、高能粒子探測器等。

可見光探測器

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

紫外光探測器

紫外線（UV）其波長范圍為190-380 nm，處于人眼不可見的輻射波段。在太陽所放射的輻射光譜中，紫外線在穿越地球的大氣層時，會因大氣中的氧氣、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，波長低于280nm的不能透過大氣層，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，實現(xiàn)低誤報，高信噪，強抗干擾的探測，在軍工民用領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。

紫外光電探測器在空間探索、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境檢測、半導(dǎo)體制造、過程監(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，其可以實現(xiàn)紫外探測，但是其吸收效率相比其在可見低，因此近年也有很多關(guān)于硅基紫外增強的工作開展。

同時，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)陳敦軍教授團隊合作，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)型紫外探測器PEC UV PDs）用于紫外探測的可能性。新材料和結(jié)構(gòu)的探索可以有望提升紫外探測器的性能，降低成本，擴大應(yīng)用場景。比如有機材料，氧化物材料等薄膜材料，這類材料有望實現(xiàn)非硅基的薄膜柔性探測器，從而擴大應(yīng)用場景。

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)換為可見光進行探測。這一類探測器也叫間接探測器，在X射線等高能波段比較常用（間接探測部分后續(xù)會在X射線和高能粒子部分展開說。）。最近瀏覽網(wǎng)頁看到Quantum Solutions公司就是借助這一思路，通過具有下轉(zhuǎn)換作用的量子點層制備在圖像傳感器上層，實現(xiàn)UV-VIS轉(zhuǎn)換。

Quantum Solutions公司是一家專注于量子點技術(shù)應(yīng)用的公司。該公司致力于開發(fā)量子點的平臺化解決方案，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)目前展示兩個應(yīng)用，一個是上圖UV Sensor，一個是SWIR Image Sensors。量子點用于SWIR這個并不奇怪，之前文章中也提到過imec等公司在這領(lǐng)域的研究。

對應(yīng)還有一個相機產(chǎn)品，據(jù)介紹Emberion的第一代VIS-SWIR VGA（640 x 512像素）相機由基于納米材料的光電探測器陣列組成，與Quantum Solutions的QDot?量子點相結(jié)合。量子點被單片地集成到定制的CMOS ROIC上，并具有低噪聲性能。該相機的主要優(yōu)勢之一是其優(yōu)越的響應(yīng)范圍。該相機能夠在可見光（400nm）到短波紅外（2000nm）波長的廣泛光譜范圍內(nèi)運行，幀率高達100 fps，并具有高動態(tài)范圍。下一代旨在達到400 fps。光電探測器結(jié)構(gòu)可以簡化，從而降低相機成本并提高可擴展性。

紅外光探測器

紅外探測器在軍事、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)射探測系統(tǒng)、非接觸式溫度測量、運動傳感器、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，紅外光探測器可以分為以下幾種主要類型：

熱敏探測器：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)生的溫度變化來產(chǎn)生電信號。

光電探測器：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)。

熱電探測器：主要包括熱電堆和輻射熱計探測器，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，常用于軍工，科研、高端民用等領(lǐng)域。非制冷型無需制冷裝置，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、成本低等優(yōu)點，在民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

《Infrared detector》這本書中給出了各種紅外探測器的對比，總的來說熱探測器主要問題還是性能上靈敏度低，信噪比低，優(yōu)勢在于成本低、無需制冷。而光電型探測器多基于制冷，難以實現(xiàn)室溫工作。量子阱型主要問題在于在于制作工藝復(fù)雜，優(yōu)勢是可以實現(xiàn)多色探測。量子點的生長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紅外探測器。

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

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

光電型紅外探測器常見的材料體系和應(yīng)用場景總結(jié)如下表。

紅外探測器的器件種類比較多。傳統(tǒng)紅外探測器按照材料分類包括:

• 碲鎘汞（HgCdTe）：碲鎘汞是最常見和廣泛應(yīng)用于紅外探測器的材料之一。通過調(diào)節(jié)汞和鎘的比例，可以實現(xiàn)碲鎘汞材料在不同波長范圍內(nèi)的探測。銦砷磷化鎘（InAsSb）：銦砷磷化鎘是另一種常用的紅外探測器材料，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、激光雷達等領(lǐng)域。
• Si：硅在紅外波段的透過率較低。需要通過特殊處理或結(jié)構(gòu)設(shè)計，才可用于近紅外波段探測。
• InPb：釙化銦是一種窄帶隙材料，常用于制備中波紅外探測器。
• 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器。

除了傳統(tǒng)探測器外，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器，比如量子點IR探測器，石墨烯IR探測器等。

除了選擇高紅外吸收的材料外，目前還有各種實現(xiàn)紅外吸收增強的人造結(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腔增強結(jié)構(gòu)等。

HgCdTe是一種比較理想的紅外探測材料，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、寬波長范圍、低噪聲等特點，因此在紅外探測器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。通過組分調(diào)節(jié)，可以實現(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。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，國內(nèi)外在碲鎘汞紅外探測器上取得諸多進展，實現(xiàn)了從單點探測器到線陣探測器，面陣探測器到百萬像素級大面陣探測器，單色探測器到多色探測器的發(fā)展。

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

紅外探測器內(nèi)容有點多，下次再好好整理一下~

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