半导体光探测器

基于宽禁带半导体的固态紫外探测技术是继红外、可见光和激光探测技术之后发展起来的新型光电探测技术，是对传统紫外探测技术的创新发展，具有体积小、重量轻、耐高温、功耗低、量子效率高和易于集成等优点，对紫外信息资源的开发和利用起着重大推动作用，在国防技术、信息科技、能源技术、环境监测和公共卫生等领域具有极其广阔的应用前景，成为当前国际研发的热点和各主要国家之间竞争的焦点。我国迫切要求在宽禁带半导体紫外探测技术领域取得新的突破，以适应信息技术发展和国家安全的重大需要。本书是作者团队近几年来的最新研究成果的总结，是一本专门介绍宽禁带紫外光电探测器的科技专著。本书的出版可以对我国宽禁带半导体光电材料和紫外探测器的研发及相关高新技术的发展起到促进作用。本书从材料的基本物性和光电探测器工作原理入手，重点讨论宽禁带半导体紫外探测材料的制备、外延生长的缺陷抑制和掺杂技术、紫外探测器件与成像芯片的结构设计和制备工艺、紫外单光子探测与读出电路技术等；并深入探讨紫外探测器件的漏电机理、光生载流子的倍增和输运规律、能带调控方法、以及不同类型缺陷对器件性能的具体影响等，展望新型结构器件的发展和技术难点；同时，介绍紫外探测器产业化应用和发展，为工程领域提供参考，促进产业的发展。本书作者都是长年工作在宽禁带半导体材料与器件领域第一线、在国内外有影响的著名学者。本书主编南京大学陆海教授是国内紫外光电探测领域的代表性专家，曾研制出多种性能先进的紫外探测芯片；张荣教授多年来一直从事宽禁带半导体材料、器件和物理研究，成果卓著；参与本书编写的陈敦军、单崇新、叶建东教授和周幸叶研究员也均是在宽禁带半导体领域取得丰硕成果的年轻学者。本书所述内容多来自作者及其团队在该领域的长期系统性研究成果总结，并广泛地参照了国际主要相关研究成果和进展。作者团队：中国科学院郑有炓院士撰写推荐语时表示：“本书系统论述了宽禁带半导体紫外探测材料和器件的发展现状和趋势，对面临的关键科学技术问题进行了探讨，对未来发展进行了展望。目前国内尚没有一本专门针对宽禁带半导体紫外探测器的科研参考书，本书的出版填补了这一空白，将会对我国第三代半导体紫外探测技术的研发起到重要的推动作用。”目前市面上还没有专门讲述宽禁带半导体紫外探测器的科研参考书，该书的出版可以填补该领域的空白。本书可为从事宽禁带半导体紫外光电材料和器件研发、生产的科技工作者、企业工程技术人员和研究生提供一本有价值的科研参考书，也可供从事该领域科研和高技术产业管理的政府官员和企业家学习参考。详见本书目录：本书目录：第1章 半导体紫外光电探测器概述1.1 引言1.2 宽禁带半导体紫外光电探测器的技术优势1.3 紫外光电探测器产业发展现状1.4 本书的章节安排参考文献第2章 紫外光电探测器的基础知识2.1 半导体光电效应的基本原理2.2 紫外光电探测器的基本分类和工作原理2.2.1 P-N/P-I-N结型探测器2.2.2 肖特基势垒探测器2.2.3 光电导探测器2.2.4 雪崩光电二极管2.3 紫外光电探测器的主要性能指标2.3.1 光电探测器的性能参数2.3.2 雪崩光电二极管的性能参数参考文献第3章 氮化物半导体紫外光电探测器3.1 引言3.2 氮化物半导体材料的基本特性3.2.1 晶体结构3.2.2 能带结构3.2.3 极化效应3.3 高Al组分AlGaN材料的制备与P型掺杂3.3.1 高Al组分AlGaN材料的制备3.3.2 高Al组分AlGaN材料的P型掺杂3.4 GaN基光电探测器及焦平面阵列成像3.4.1 GaN基半导体的金属接触3.4.2 GaN基光电探测器3.4.3 焦平面阵列成像3.5 日盲紫外雪崩光电二极管的设计与制备3.5.1 P-I-N结GaN基APD3.5.2 SAM结构GaN基APD3.5.3 极化和能带工程在雪崩光电二极管中的应用3.6 InGaN光电探测器的制备及应用3.6.1 材料外延3.6.2 器件制备3.7 波长可调超窄带日盲紫外探测器参考文献第4章 SiC紫外光电探测器4.1 SiC材料的基本物理特性4.1.1 SiC晶型与能带结构4.1.2 SiC外延材料与缺陷4.1.3 SiC的电学特性4.1.4 SiC的光学特性4.2 SiC紫外光电探测器的常用制备工艺4.2.1 清洗工艺4.2.2 台面制备4.2.3 电极制备4.2.4 器件钝化4.2.5 其他工艺4.3 常规类型SiC紫外光电探测器4.3.1 肖特基型紫外光电探测器4.3.2 P-I-N型紫外光电探测器4.4 SiC紫外雪崩光电探测器4.4.1 新型结构SiC紫外雪崩光电探测器4.4.2 SiC APD的高温特性4.4.3 材料缺陷对SiC APD性能的影响4.4.4 SiC APD的雪崩均匀性研究4.4.5 SiC紫外雪崩光电探测器的焦平面成像阵列4.5 SiC紫外光电探测器的产业化应用4.6 SiC紫外光电探测器的发展前景参考文献第5章 氧化镓基紫外光电探测器5.1 引言5.2 超宽禁带氧化镓基半导体5.2.1 超宽禁带氧化镓基半导体材料的制备5.2.2 超宽禁带氧化镓基半导体光电探测器的基本器件工艺5.3 氧化镓基日盲探测器5.3.1 基于氧化镓单晶及外延薄膜的日盲探测器5.3.2 基于氧化镓纳米结构的日盲探测器5.3.3 基于非晶氧化镓的柔性日盲探测器5.3.4 基于氧化镓异质结构的日盲探测器5.3.5 氧化镓基光电导增益物理机制5.3.6 新型结构氧化镓基日盲探测器5.4 辐照效应对宽禁带氧化物半导体性能的影响5.5 氧化镓基紫外光电探测器的发展前景参考文献第6章 ZnO基紫外光电探测器6.1 ZnO材料的性质6.2 ZnO紫外光电探测器6.2.1 光电导型探测器6.2.2 肖特基光电二极管6.2.3 MSM结构探测器6.2.4 同质结探测器6.2.5 异质结探测器6.2.6 压电效应改善ZnO基紫外光电探测器6.3 MgZnO深紫外光电探测器6.3.1 光导型探测器6.3.2 肖特基探测器6.3.3 MSM结构探测器6.3.4 P-N结探测器6.4 ZnO基紫外光电探测器的发展前景参考文献第7章 金刚石紫外光电探测器7.1 引言7.2 金刚石的合成7.3 金刚石光电探测器的类型7.3.1 光电导型光电探测器7.3.2 MSM光电探测器7.3.3 肖特基势垒光电探测器7.3.4 P-I-N和P-N结光电探测器7.3.5 异质结光电探测器7.3.6 光电晶体管7.4 金刚石基光电探测器的应用参考文献第8章 真空紫外光电探测器8.1 真空紫外探测及其应用8.1.1 真空紫外探测的应用8.1.2 真空紫外光的特性8.2 真空紫外光电探测器的类型和工作原理8.2.1 极浅P-N结光电探测器8.2.2 肖特基结构光电探测器8.2.3 MSM结构光电探测器8.3 真空紫外光电探测器的研究进展8.3.1 极浅P-N结光电探测器的研究进展8.3.2 肖特基结构光电探测器的研究进展8.3.3 MSM结构光电探测器的研究进展

随着近红外（NIR）和短波红外（SWIR）光谱在人工智能驱动技术（如机器人、自动驾驶汽车、增强现实/虚拟现实以及3D人脸识别）中的广泛应用，市场对高计数、低成本焦平面阵列的需求日益增长。传统短波红外光电二极管主要基于InGaAs或锗（Ge）晶体，其制造工艺复杂、器件暗电流大。有机半导体是一种可行的替代品，其制造工艺更简单且光学特性可调谐。据麦姆斯咨询报道，近日，华南理工大学的研究团队研制出基于有机半导体的新型红外光电探测器。这项技术有望彻底改变成像技术，该有机光电二极管在近紫外到短波红外的宽波段内均优于传统无机探测器。这项研究成果以“Infrared Photodetectors and Image Arrays Made with Organic Semiconductors”为题发表在Chinese Journal of Polymer Science期刊上。研究团队采用窄带隙聚合物半导体制造薄膜光电二极管，该器件探测范围涵盖红外波段。这种新技术的成本仅为传统无机光电探测器的一小部分，但其性能可与传统无机光电探测器（如InGaAs光电探测器）相媲美。研究人员将更大的杂原子、不规则的骨架与侧链上更长的分支位置结合起来，创造出光谱响应范围涵盖近紫外到短波红外波段的聚合物半导体（PPCPD），并制造出基于PPCPD的光电探测器，相关性能结果如图1所示。图1 基于PPCPD的光电探测器性能在特定探测率方面，该器件与基于InGaAs的探测器相比具有竞争力，在1.15 μm波长上的探测率可达5.55 × 10¹² Jones。该有机光电探测器的显著特征是，当其集成到高像素密度图像传感器阵列时，无需在传感层中进行像素级图案化。这种集成制造工艺显著简化了制备流程，大幅降低了成本。图2 短波红外成像系统及成像示例华南理工大学教授、发光材料与器件国家重点实验室副主任黄飞教授表示：“我们开发的有机光电探测器标志着高性价比、高性能的红外成像技术的发展向前迈出了关键的一步。与传统无机光电二极管相比，有机器件具有适应性和可扩展性，其潜在应用范围还包括工业机器人和医疗诊断领域。”该新型有机光电探测器有望对各行各业产生重大影响。它们为监控和安全领域的成像系统提供了更为经济的选择。未来，基于有机技术的医疗成像设备有望更加普及，价格也会更加合理，从而在医疗环境中实现更全面的应用。该器件的适应性和可扩展性还为尖端机器人和人工智能等领域的应用铺平道路。这项研究得到了国家自然科学基金（编号：U21A6002和51933003）和广东省基础与应用基础研究重大项目（编号：2019B030302007）的资助。论文链接：https://doi.org/10.1007/s10118-023-2973-8

一般而言，分析仪器的发展可分为两种：一是分析仪器本身、内部的发展，二是分析仪器相关器件的发展所带动的分析仪器的发展。光探测器是光谱类科学仪器的“眼睛”，是搜集信号、进行信号转换的核心、关键部件，其发展对分析仪器产业的发展起着巨大的推动作用。　　光电倍增管是大家熟知的光探测器，广泛应用于各类光谱仪器中。但近年来，一些国际仪器生产厂家已开始将ICP、光电直读光谱仪等仪器中采用的光电倍增管逐渐换成了半导体光探测器，其中使用较多的是CCD(Charge-Coupled Devices，电荷耦合检测器)。那么，半导体光探测器能否取代光电倍增管？半导体光探测器技术发展现状与趋势如何？日本滨松公司未来将如何发展半导体光探测技术？该公司是如何看待中国仪器行业？未来将如何拓展中国市场？本文将逐一为大家解答。　　日本滨松光子学株式会社(以下简称“日本滨松公司”)是光子技术和光电探测器的世界知名企业，其主要产品有光电倍增管、光电二极管、图像传感器、各种光源、大功率半导体激光器等光器件。该公司固体事业部主要研发、生产各种半导体光电器件及其模块化产品。　　2010年9月1日，日本滨松公司固体事业部在北京举办“2010 HAMAMATSU光半导体技术交流会之专家交流会”。日本滨松公司专务取缔役兼固体事业部部长山本晃永先生亲临现场。以此为契机，仪器信息网编辑在专家交流会现场就半导体光探测器的技术发展现状和趋势、日本滨松固体事业部未来的发展方向采访了山本晃永先生。日本滨松公司专务取缔役兼固体事业部部长山本晃永先生半导体光探测器的发展现状与趋势　　“Photon is Our Business”，日本滨松公司最初是靠光电倍增管起家，主要用该产品来探测肉眼看不见的光子。该公司致力于了解光子以及光子与其他物质的相互作用，将相关技术转化为产品并使其产业化。经过几十年的发展，日本滨松公司不仅不断改良真空管探测器，同时也大力发展了半导体光探测器。　　该公司固体事业部多年来一直从事半导体光探测器相关技术的研究。近几年，固体事业部非常重视图像传感器的研发，并在半导体光探测器的集成化、模块化上取得了较大进展。山本晃永先生详细地阐述了滨松的研究成果以及他对半导体光探测器技术发展的看法。日本滨松公司固体事业部的主要产品　　(1)在光探测器领域，从真空管技术到半导体技术是大势所趋　　山本晃永先生认为，从真空管技术到半导体技术是大势所趋，日本滨松公司不能逆流而上。光电倍增管虽然是高性能的探测器，公司也对真空管探测器进行了一些改进，如增强其量子效率、使其小型化等，但仍残留一些难以解决的问题，比如操作上玻璃材料的繁难性、高电压的必须性等，这些难题限制了光电倍增管的使用。　　但光电倍增管拥有光子探测灵敏度高的固有优势，半导体光探测器不可能完全取而代之，但后者的市场主导优势将日益明显。目前在日本滨松内部，固体事业部的销售额已超过了生产光电倍增管的电子管事业部，占据滨松所有产品总销售额的半壁江山。　　日本滨松公司在继续研究真空管技术和半导体技术的基础上，将专心致力于相关模块和系统的开发。总之，所有与光子相关的技术，日本滨松公司都将采取积极的态度。　　(2)CCD已发展得比较成熟　　随着技术的进步，用于分光光度计、近红外光谱、拉曼光谱等光谱仪器的CCD已发展得比较成熟，其性能已有了很大改进。　　日本滨松公司研发出的背面入射(Back-illuminated)CCD图像传感器，能减少CCD的Etaloning Effect（注：Etaloning Effect是存在于非常薄的CCD芯片中，入射光线因为在芯片前、后表面发生光反射而产生干涉，导致CCD分光灵敏度曲线在900nm附近凹凸不平的现象），从而能显著提高图像传感器的灵敏度、量子效率、响应时间以及信噪比。通过拼接技术，滨松将许多CCD加以拼接，使其面积增大。目前最大的CCD平板图像传感器大小可达2mX2m，量子效率非常高，同时对近红外长波的探测能力也大幅提高，可用于天文和宇宙探测领域。目前，全世界大部分的天文望远镜、人造卫星都在使用日本滨松的半导体光探测器产品。 各类CCD图像传感器　　(3)CMOS发展前景看好，日本滨松公司力求让其取代CCD　　山本晃永先生说到，CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器与CCD在生产工艺上有许多相似之处，因其在集成化、生产成本、响应时间、使用方便、耗电量等方面的优势，发展尤为迅速，甚至可能比CCD图像传感器发展更为快速。目前，CMOS和CCD各有所长，CMOS还不能完全取代CCD，但是未来在很多领域CCD会被CMOS所取代。　　日本滨松非常看好CMOS的发展前景，在CMOS上倾注很大精力，不断加大该产品的研发力度，力求让CMOS取代CCD。公司针对CMOS的缺点进行了一些改进，引入背面入射技术(back-illuminated)的同时，采用碘化铯作为转化晶体，提高探测器的灵敏度与效率。经过改造之后，APS(Active Pixel Sensor，有源像素传感器，是CMOS的一种)的性能几乎可以做得与CCD一样好。　　近期日本滨松推出了多款大小不一、功能各异的CMOS新产品。例如用于牙科检查的CMOS，形状小巧、适合人的嘴型，且可以一次成像 而用于乳腺癌检测的CMOS平板检测器具有面积大、探测速度快、解析度高、低剂量的特点，能避免X射线对人体的伤害。日本滨松生产的各类CMOS图像传感器　　(4)MOEMS、MEMS促成了半导体光探测器的模块化、小型化　　MOEMS(Micro-Opto-Electro-Mechanical System，微光机电系统)是在MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)基础上发展起来的新技术，该系统把微光学元件、微电子和微机械装置有机地集成在一起，能够充分发挥三者的综合性能，可实现光学元件间的自对准，可用于光学器件和装置的制造。　　日本滨松公司不仅生产各类半导体探测器，还生产与各种探测器相关的信号处理电路、数据采集卡以及模块产品。固体事业部充分利用MOEMS与MEMS技术，在光电二极管、雪崩二极管、图像传感器等产品的基础上，生产出了光电二极管电路及模块、硅雪崩二极管模块、图像传感器模块等模块化产品。以CMOS图像传感器为例，采用MOEMS技术可将图像传感器、光栅、后续电路加工在同一块硅片上，这样实现了元器件的集成化、小型化，同时也方便用户的使用。小型分光计系列产品拇指大小的超小型分光计　　近期研发出来的超小型分光计，采用了MEMS的纳米压印(NanoTechnology)技术，只有拇指大小，敏感波长范围为340-750nm。从产品到产品模块、系统，这将是日本滨松公司固体事业部以后所要坚持的方向。　　随着时代的发展，人们对于小型、可携带的东西的需求将增加。在日本，一些测试化妆品美白效果的小仪器很流行，类似的小型仪器在美国也很受欢迎。分析仪器、医疗仪器要走进寻常百姓家，就必然要求其小型化，而仪器小型化必然要求其器件也小型化。半导体技术就是满足这种需求的有效手段，其目前发展的重要主题是MEMS，而NanoTechnology(纳米技术)应该是关键。　　从真空管技术到半导体技术、MEMS、纳米技术，这是滨松技术的变迁。未来几年，日本滨松公司仍要彻底地钻研这些技术，这是不变的方针。而唯一要改变的是各项技术的开发速度。技术开发得越早，日本滨松的产品在技术上就越有竞争力，这是很重要的。与会滨松高层　　(日本滨松光子学株式会社专务取缔役兼固体事业部部长山本晃永先生(右二)、北京滨松光子技术股份有限公司总经理席与霖先生(左二)、北京滨松光子股份有限公司总经理助理兼第一事业部部长段鸿滨先生(左一)、日本滨松光子学株式会固体事业部伊藤伸治先生(右一))与会专家　　(从左到右依次为：中国仪器仪表行业协会朱明凯副理事长、国家地质测试实验中心杨啸涛研究员、中科科仪原董事长金鹤鸣先生、中国分析测试协会汪正范研究员)滨松将加大半导体光探测器在中国市场的推广力度　　采访中，山本晃永先生表达了对中国科学仪器行业发展情况的看法：中国科学仪器行业正蓬勃发展，虽然目前日本滨松的半导体光探测器在中国的用户并不是很多，但公司更重视中国市场，将把最新的产品和技术推广到中国来。　　(1)中国科学仪器行业必将崛起，其市场容量巨大　　回顾过往，手机、计算机在中国发展都很快，下一步中国的仪器仪表行业一定也会快速发展。医疗仪器、分析仪器都与人们的健康密切相关。中国人口是日本的十倍，这意味着如果中国仪器行业发展起来，那么其市场容量可能会是日本的10倍。而跟科学仪器发展密切相关的就是仪器探测器件的发展。　　满足用户的需求始终是日本滨松公司努力的方向。作为仪器元器件的供应商，日本滨松公司一定要领先市场一步，这样才能提供市场需要的产品。虽然中国科学仪器行业可能还需要十年、二十年才能发展起来，但日本滨松对此非常有耐心，会非常关注中国市场需要什么样的技术和产品，也会不断地研发新产品去满足这些需求。　　(2)加大半导体光探测器在中国分析仪器行业的推广力度　　山本晃永先生介绍了日本滨松中国用户的一些情况。滨松固体事业部生产的各式各样的半导体探测器有50%销往国外，其余在日本国内销售。许多国际知名的仪器生产商都在使用滨松的探测器。但在中国，虽有仪器企业也使用滨松的半导体探测器，但是数量较少。　　日本滨松公司固体事业部的约50%的产品都应用于医疗仪器，这个领域仍然是其非常重视的领域。同时，因为医疗仪器与分析仪器存在许多相似之处，所以日本滨松公司打算将在医疗仪器领域的优势发展到分析仪器等领域。　　同时，该公司将加强与中国用户的沟通与交流，加大市场推广力度，把固体事业部的半导体光电器件的新技术、新产品介绍给中国用户，同时也要告诉他们如何选择、使用和应用滨松的产品，希望能为中国仪器行业的发展尽一份力。采访现场　后记　　在采访过程中，笔者仔细聆听山本晃永先生对仪器企业发展的一些看法，他提到：“小规模的科学仪器企业若没有特色，就没有发展潜力与市场竞争力。岛津、贝克曼等国际知名企业都是由有特色的小企业发展起来的。企业规模小并不可怕，可怕的是小企业没有自己的特色、随波逐流，只知模仿重复，不知发明创造，最终导致价格竞争，互相残杀。日本滨松公司虽然是一家小公司，但一直很努力地研发光子相关的各种技术与产品，希望能够通过公司的产品来促进科学仪器行业的发展。”　　也许，日本滨松公司能够发展壮大就在于它五十余年来一直坚持自己的特色，将主要精力集中在自己优势的光探测器领域，因而能在仪器光电元器件市场上占有其他公司不可替代的一席之地。然而相比之下，目前国内科学仪器企业总体“大不够大，小不够专”，仪器元器件企业发展更是缓慢，这些客观因素决定中国仪器行业短时间内或不会有较大改观。同时， 中国仪器生产企业不仅只盯着整机仪器的研发，也不能忽视仪器元器件的开发。　　采访编辑：杨丹丹　　附录1：山本晃永先生简介　　1970年3月毕业于静冈大学研究生院工学部应用化学专业　　1970年3月入职日本滨松公司　　1985年1月就任日本滨松公司固体事业部部长至今　　1985年12月就任取缔役　　1987年12月就任常务取缔役　　2004年12月就任专务取缔役　　2005年7月就任代表取缔役专务取缔役　　附录2：日本滨松光子学株式会社　　http://www.hamamatsu.com/　　附录3：北京滨松光子技术股份有限公司　　http://www.bhphoton.com/

红外双波段光电探测器是重要的多光谱探测器件，特别是近红外/短波红外区域，相较于可见光有更强的穿透能力，相较于中波红外可以以较低的损耗识别冷背景的物体，因此广泛应用于民用和军事领域。当前红外双波段探测器主要面临光谱不可调谐，器件结构复杂而不易与读出集成电路相结合的挑战。据麦姆斯咨询报道，近日，合肥工业大学先进半导体器件与光电集成团队在光电子器件领域取得重要进展，研究团队研发了一种光谱可调谐的近红外/短波红外双波段探测器，相关研究成果以“Bias-Selectable Si Nanowires/PbS Nanocrystalline Film n–n Heterojunction for NIR/SWIR Dual-Band Photodetection”为题，发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials, 2023: 2214996.）。第一作者为许晨镐，通讯作者为罗林保教授，主要从事新型高性能半导体光电子器件及相关光电集成技术方面的研究工作。该研究使用溶液法制备了硅纳米线/硫化铅异质结光电探测器（如图1（a）），工艺简单，成功将硅基探测器的光谱响应拓宽到2000 nm。基于有限元分析法的COMSOL软件分析表明，一方面，有序的硅纳米线阵列具有较大的器件面积，提升了载流子的输运能力，且纳米线阵列具有较好的周期性，入射光可以在纳米线结构之间连续反射，产生典型的陷光效应。另一方面，小尺寸的纳米线阵列可以看作是微型谐振器，可以形成HE₁ₘ谐振模式，增强特定入射光的光吸收。通过调制外加偏压的极性，器件可以实现近红外/短波红外双波段探测、近红外单波段探测、短波红外单波段探测三种探测模式的切换。器件还具有较高的灵敏度，在2000 nm光照下的探测率高达2.4 × 10¹⁰ Jones，高于多数短波红外探测器。图1 双波段红外探测器结构图及相关仿真和实验结果图2 偏压可调的近红外/短波红外双波段探测及探测率随光强的变化曲线此外，该研究还搭建了单像素光电成像系统（如图3（a）），在2000 nm光照下，当施加-0.15 V和0.15 V偏压时，该器件能对一个简单的英文字母实现成像。但是不施加偏压时，缺无法清晰成像。这表明只需要对器件施加一个小的偏置电压时，就可以将成像系统的工作区域从近红外调整到短波红外，具有较高的灵活性。图3 光电成像系统及成像结果这项研究得到了国家自然科学基金、安徽省重点研发计划、中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。

p　　近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员李广海课题组在高性能紫外光探测薄膜器件方面中取得进展，相关结果发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，并申请国家发明专利2件。/pp　　紫外探测器在空间天文望远镜、军事导弹预警、非视距保密光通信、海上破雾引航、高压电晕监测、野外火灾遥感及生化检测等方面具有广泛的应用前景。在实际应用时，由于自然环境的不确定性，待测目标的紫外光强度通常不高，环境中存在着大量对紫外光具有强吸收和散射能力的气体分子或尘埃，导致最终到达探测器可检测的紫外光信号非常弱。因此，提高紫外探测器对弱光的探测能力至关重要。探测率(detectivity)是衡量探测器件对弱光检测能力的重要指标，探测率由响应度(responsivity)和暗电流密度共同决定。响应度越高，暗电流密度越低，器件的探测率越高。高探测率更有利于弱紫外光的探测。然而，对于大部分半导体光导探测器而言，响应度高的器件常伴随着较高的暗电流 提高材料质量，减少缺陷可降低器件暗电流，但响应度随之减小。因此，器件探测率难以提升，限制了光导探测器在弱紫外光检测方面的应用。/pp　　针对上述问题，李广海课题组的副研究员潘书生等在前期透明高阻薄膜的研究基础上，提出以中间带半导体为核心材料构筑紫外探测器的新方法。中间带具有高态密度，能够有效俘陷本征缺陷在导带上产生的电子，从而降低器件暗电流 另一方面，光照时，中间带上储存的载流子能补充到价带上，并被光激发至导带贡献光电流，因此中间带半导体材料紫外探测器能够实现在降低暗电流的同时，保持器件较高的响应度。采用磁控反应溅射技术，沉积Bi掺杂SnO2薄膜，并通过优化实验设计和参数，构筑出了基于中间带半导体薄膜的光导型紫外探测器件。性能测试结果显示，器件暗电流降低至0.25nA，280nm波长紫外光响应度达到60A/W，外量子效率为2.9× 104%，探测率达到6.1× 1015Jones，紫外—可见光抑制比达103量级。器件的动态范围高达195dB，这说明Bi掺杂SnO2薄膜光导探测器可检测极其微弱的紫外光(等效每秒300紫外光子)，对较强的紫外光也可探测。/pp　　该研究工作得到了国家自然科学基金与合肥研究院固体所所长基金的支持。/pp style="text-align: center "img width="450" height="349" title="W020170907540355593507.jpg" style="width: 450px height: 349px " src="http://img1.17img.cn/17img/images/201709/noimg/1086db54-ce3a-4a29-b90b-ed2b9dbbf2f4.jpg" border="0" vspace="0" hspace="0"//pp　　Bi掺杂SnO2薄膜光导探测器件性能：(a) 响应度，(b) 外量子效率，(c) 探测率和 (d) 噪声等效功率。/pp/pp/p

美国密歇根大学研究人员在《光学》期刊发表论文称，他们使用被称为极化子的独特准粒子开发了一种新型高效光电探测器，其灵感来自植物用来将阳光转化为能量的光合复合物。该设备将光能的远程传输与电流的远程转换相结合，有可能大大提高太阳能电池的发电效率。在许多植物中发现的光合复合物由一个大的光吸收区域组成，该区域将分子激发态能量传递到反应中心，在那里能量转化为电荷。极化子将分子激发态与光子结合在一起，赋予它类光和类物质的特性，从而实现远距离能量传输和转换。这种新型光电探测器是首次展示基于极化子的实用光电设备之一。　　为了创建基于极化子的光电探测器，研究人员必须设计允许极化子在有机半导体薄膜中长距离传播的结构。此外，他们必须将一个简单的有机检测器集成到传播区域中，以产生有效的极化子到电荷的转换。　　研究人员使用特殊的傅里叶平面显微镜来观察极化子传播，以分析他们的新设备。结果表明，新的光电探测器在将光转换为电流方面比硅光电二极管更有效。它还可从大约0.01平方毫米的区域收集光，并在0.1毫米的“超长”距离内实现光到电流的转换——这个距离比光合复合物的能量传递距离大3个数量级。　　到目前为止，观察的大多数极化子为封闭腔中的静止准粒子，顶部和底部都有高反射镜。这项新研究揭示了极化子如何在单个镜子的开放结构中传播，新设备还允许首次测量入射光子转换为极化子的效率。

航展期间记者获悉，中航工业航电系统公司与电子科技大学将共同投资7000万元，联合建设“光电探测集成器件及应用实验室”，建设国内第一个全状态光电探测器研发平台。　　根据协议，中航工业洛阳电光设备研究所以3500万元现金投资，建设非制冷红外探测器封装测试线，与电子科技大学已建成的6英寸MEMS加工线合并。这将成为国内第一个集MEMS设计、MEMS加工、器件封装与测试的全状态光电探测器研发平台。该平台将具备年产3000只非制冷红外探测器的生产能力，通过10-15年的努力，将打造成一个年经营规模100亿元，国际一流的光电探测器供应商。　　据了解，光电探测器是利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。　　中国航空工业集团公司副总经理张新国表示，光电探测器的研发、生产是光电产业核心价值环节，本次合作将从根本上打破国外公司的产业垄断，对加速我国光电产业核心器件的自主创新进程有着重要战略意义 通过校企创新，将全面实现我国光电产业的产业链延伸与价值链延伸。

记者获悉，中航工业航电系统公司与电子科技大学将共同投资7000万元，联合建设“光电探测集成器件及应用实验室”，建设国内第一个全状态光电探测器研发平台。　　根据协议，中航工业洛阳电光设备研究所以3500万元现金投资，建设非制冷红外探测器封装测试线，与电子科技大学已建成的6英寸MEMS加工线合并。这将成为国内第一个集MEMS设计、MEMS加工、器件封装与测试的全状态光电探测器研发平台。该平台将具备年产3000只非制冷红外探测器的生产能力，通过10-15年的努力，将打造成一个年经营规模100亿元，国际一流的光电探测器供应商。　　据了解，光电探测器是利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。　　中国航空工业集团公司副总经理张新国表示，光电探测器的研发、生产是光电产业核心价值环节，本次合作将从根本上打破国外公司的产业垄断，对加速我国光电产业核心器件的自主创新进程有着重要战略意义 通过校企创新，将全面实现我国光电产业的产业链延伸与价值链延伸。

德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫(HZDR)研究中心的科学家通过在 SiC 上一个微小的片状石墨烯加上天线，开发出一种新的光学探测器。据称，这种新型探测器可以迅速的反射所有不同波长的入射光，并可在室温下工作。这是单个检测器首次实现监测光谱范围从可见光到红外辐射，并一直到太赫兹辐射。　　HZDR 中心的科学家们已经开始使用新的石墨烯探测器用于激光系统的精确同步。据HZDR 物理与材料科学研究所的物理学家 Stephan Winnerl 称，相对于其他半导体，如硅或砷化镓，石墨烯可以承载具有超大范围光子能量的光，并将其转换成电信号，只需要一个宽带天线和恰当的衬底来。　　石墨烯片和天线组件吸收光线，将光子的能量转移至石墨烯的电子中。这些“热电子”能够增加探测器的电阻，产生快速电信号，在短短 40 皮秒内便可完成入射光注入。　　衬底的选择是提高捕光器的关键。过去使用的半导体衬底吸收了一些波长的光，但碳化硅可在光谱范围不主动吸收光。 此外，天线的作用就像一个漏斗，捕捉长波红外和太赫兹辐射。目前，科学家们已经能够将光谱范围增加为此前型号探测器的90倍，所能探测到的最短波长比最长的小 1000倍。而在可见光中，红光波长最长，紫光波长最短，红光波长仅是紫光的两倍。　　该光学探测器已被 HZDR 中心采用，用于易北河中心的两个自由电子激光器的精确同步。这种精确同步对“泵浦探针”实验尤为重要，研究员使用其中一个激光器激发材料，再使用另一个具有不同波长的激光器进行测定。在这种实验中，激光脉冲必须精确同步。因此，科学家们使用石墨烯探测器如同使用秒表。精确同步的探测器可以显示出激光脉冲何时达到目标，大带宽有助于防止探测器变为潜在错误来源。该种探测器的另一个优点是，所有的测量可以在室温下进行，避免了其他探测器所需的昂贵和费时的氮气或氦气冷却过程。

近日，中国科学院重庆绿色智能技术研究院微纳制造与系统集成研究中心在《创新》（The Innovation）上发表了题为“Schottky Infrared Detectors with Optically Tunable Barriers Beyond the Internal Photoemission Limit”的研究论文，报道了突破内光发射限制的势垒可光调谐肖特基红外探测器。内光发射效应作为光电效应的重要分支，阐明了光照射至金属-半导体界面时热载流子如何被激发并跨越肖特基势垒，最终进入半导体以完成光电转换的物理过程。1967年以来，研究人员致力于基于内光发射效应的肖特基光电探测器研究，并在拓展响应光谱范围以及开发与硅工艺兼容的红外探测器方面取得了进展。然而，相关探测器的性能受制于截止波长与暗电流之间的矛盾，且通常需要在低温条件下运行。该团队提出了势垒可光调谐的新型肖特基红外探测器（SPBD），有效解耦了光子能量与肖特基势垒之间的关联，使得SPBD能够在保持高肖特基势垒以抑制暗电流的同时，还能够探测到低于肖特基势垒能量的红外光。在室温背景下，SPBD实现了对黑体辐射的探测，并获得了达7.2×109Jones的比探测率。该研究制备的原型器件展现出低暗电流、宽波段响应以及对黑体辐射敏感的性能。制备流程与硅基CMOS工艺具有良好的兼容性，为低成本、低功耗、高灵敏硅基红外探测器的研制提供了新方案。研究工作得到国家重点研发计划等的支持。论文链接 传统肖特基探测器和势垒可光调谐的肖特基红外探测器的对比

中国科学院深圳先进技术研究院先进材料科学与工程研究所材料界面研究中心副研究员李佳团队，中科院院士、西北工业大学教授黄维团队，以及深圳先进院生物医学与健康工程研究所生物医学成像研究中心合作，首次将具有内部信号增益效应的异质结光电晶体管用于X射线直接探测器，实现了超灵敏、超低辐射剂量、超高成像分辨的X射线直接探测。相关研究成果以Ultrathin and Ultrasensitive Direct X-ray Detector Based on Heterojunction Phototransistors为题，发表在Advanced Materials上。 　　当前，X射线直接探测器多采用反向偏置二极管结构(图1a)。这类器件普遍缺乏内部信号增益效应或增益较低，这意味着没有足够的信号补偿方案来补充载流子复合过程中湮灭的电子-空穴对。因此，这类设备的光-电转化效率较低，且需要使用高质量和高度均匀的X射线光电导材料(Photoconductor)以保证有效的电子-空穴的产生和传输，这对探测器性能的进一步提升设定了难以突破的上限，也增加了材料、器件制备的复杂性和成本。 　　科研团队在前期研究的基础上(Advanced Materials, 31,1900763,2019)，提出异质结X射线光电晶体管(Heterojunction X-ray Phototransistor)这一新型器件概念，首次将具有内部信号增益效应的异质结光电晶体管引入X射线直接探测。光电晶体管是三电极型光电探测器，其沟道载流子密度可通过调控栅压和入射光子进行有效调制，从而结合了晶体管和光电导的综合增益效应，如图1b所示。将这种高增益机制引入X射线探测器可以对光生电流进行放大，并使外量子效率远超过100%，进而实现超灵敏的X射线直接探测。本工作中，研究团队设计了由钙钛矿光电导材料与有机半导体沟道材料组成的异质结光电晶体管，实现了高效的X射线吸收，获得了快速的载流子再注入与循环，导致高效的载流子产生、输运与巨大的信号增益效应，使X射线直接探测灵敏度达到109μCGyair-1cm-2(图2c)，最低可检测剂量率低至1 nGyair s-1。同时，探测器具有较高的成像分辨率(图2e)——X射线成像调制传递函数(MTF)在20%值下显示每毫米11.2线对(lp mm-1)，成像分辨率高于目前基于CsI:Tl的X射线探测器。 　　高增益异质结X射线光电晶体管为高性能X射线直接探测与成像开辟了新机遇，并体现出超灵敏、超低检测限、高成像分辨率、轻量、柔性(图2d)、低成本等优点，在医学影像、工业检测、安检安防、科学设备等领域具有广阔的应用前景。该成果将激发科研人员开发各种高增益器件以实现直接探测不同类型高能辐射的研究动力。 　　研究工作得到国家自然科学基金、深圳市科技计划等的资助。图1.a、传统X射线探测器中，间接探测(左)使用闪烁体材料与光电二极管可见光探测器相互集成，X射线通过闪烁体材料转换为可见光，可见光由光电二极管探测器探测；直接探测(右)使用如非晶硒等半导体材料，半导体吸收X射线后直接产生电子-孔穴对，在半导体材料上施加高电场，分离和收集电子-空穴对；b、X射线光电晶体管结构，异质结中电子-空穴对产生(1)、分离(2)、电子捕获/空穴注入(3)和空穴再循环(4)产生高增益效应的过程图示图2.a、X射线光电晶体管器件结构；b、X射线探测的时间响应；c、X射线辐照下探测器灵敏度随栅压的变化关系；d、柔性X射线光电晶体管器件；e、金属光栅的光学显微照片(上)与X射线成像图(下)，scale-bar为200微米；f、X射线光电晶体管的MTF曲线

陕西知芯外延半导体有限公司（简称：知芯外延）于2022年在秦创原平台支持下成立，基于西安电子科技大学微电子学院的研发团队，企业研究的硅基四族外延晶圆打破了国外的设备、技术封锁，解决了我国的“卡脖子”技术，带动了我国高端光电探测器、硅光集成产业、超高速通讯器件等各个方向产品的升级。知芯外延主要研究具有硅基四族外延晶圆，在不同掺杂、厚度、纳米结构等参数下的成熟生长工艺，同时团队还研发出了基于硅锗外延晶圆的红外探测器芯片。目前企业生产的外延晶圆以硅基四族材料为主，包括硅基锗、硅基硅锗，硅基锗锡等，可应用于红外探测器、激光雷达、光通讯、三四族材料硅基衬底等各个领域。基于硅锗外延片的硅锗短波红外探测器，作为一种全新的短波探测器技术路径，其高集成度、低成本的优势，将能够成为代替传统材料实现短波红外大规模、各领域应用。在世界各国争相发展短波红外探测技术的当下，陕西知芯外延半导体为我国的技术突破持续发力。公司已入选陕西省光电子产业重点项目，并与多所研究院、军工单位达成合作。项目促进光电子产业创新链发展的同时，也为产业链的发展提供了核心技术支撑，助力西安走上“追光”路。

目前，我国深紫外光电探测技术由于受传统器件结构等限制，仍存在易受环境影响、光电性能较差、器件响应速度和信号利用率难以兼顾等问题。　　近日，合肥工业大学电子科学与应用物理学院科研团队，成功研发出新型深紫外光电探测器，开创性地将透光性好、电子迁移率高且电阻率低的电子材料石墨烯和高质量β -氧化镓单晶片引入深紫外光电探测器中，并提出一种全新的器件MSM结构，实现了对半导体与金属电极接触性能的大幅提升。器件光谱响应分析结果表明，该器件具有优异的光谱选择性，在深紫外光区域响应非常明显。器件性能分析结果则显示，该器件能够在深紫外光区域的光电转化效率及探测率大幅度提升。该深紫外光电探测技术将在刑侦检测、电网安全监测、森林火灾告警等领域应用前景广阔。

记者近日从中国科大了解到，该校微电子学院龙世兵教授课题组基于低成本非晶氧化镓材料，通过缺陷和掺杂工程实现了极端环境下依然表现超高灵敏度的日盲探测器。该方法为高性能、耐极端环境日盲紫外探测器的研制及应用提供了一种可行的参考。相关成果日前在线发表在《先进材料》杂志上。 氧化镓作为新兴的超宽禁带半导体材料，具有热稳定性好、禁带宽度大、紫外吸收系数大、材料易加工等优点，是日盲紫外探测较为理想的候选材料。然而，基于非晶氧化镓材料开发高环境耐受性的高性能日盲紫外探测器还需解决其材料稳定性差、缺陷密度高、漏电流大、持续光电导效应明显等问题。 课题组通过一系列研究，成功设计出高性能且耐极端环境的氧化镓日盲紫外光电探测器。与常规非晶富镓氧化镓器件相比，工程化处理的器件暗电流降低107倍、探测率提升102倍、响应速度提升。同时，得益于子带隙吸收的抑制，探测抑制比提升了105倍，显示出器件优异的光谱选择性。在高温、高压、高辐射等极端条件下，器件依然保持较高的探测性能，实现了高温下的清晰日盲成像验证。

p style="text-indent: 2em "CCD兴起于20世纪70年代，是由一组规则排列的金属-氧化物-半导体（ MOS）电容器阵列和输入、输出电路组成。它能够利用时钟脉冲电压来产生和控制半导体势阱的变化，完成对光的探测。不同于普通固态电子器件，CCD器件中信息的存在和表达方式为电荷，而不是电流或电压，因此对信息的表达具有更高的灵敏度。按照感光单元的排列方式来划分，CCD器件可以分为线阵CCD和面阵CCD。/pp style="text-indent: 2em "传统激光粒度仪采用环形光电二极管阵列作为探测器，但一般探测器只有 32 环，较低的空间分辨率限制了其在颗粒测量中的应用。并且由于应用量少，导致其成本非常高。近些年来，以面阵 CCD 为探测器的激光粒度仪得到了一定的发展，但在室温条件下，面阵 CCD 容易受到暗电流的影响，动态范围一般只有 20~30dB,且面阵CCD 存在价格高，尺寸小，采集电路设计复杂等缺陷。相比于面阵 CCD 探测器，线阵 CCD 具有分辨率高，动态响应范围宽等特点，并且可以对像素点进行直接操作，具有更大的灵活性，因此能够满足不同环境条件下的颗粒粒度测量要求。目前，在不同工业领域，线阵 CCD 已经得到广泛应用，如高性能文件打印、光谱扫描、光学字符识别等。由于应用范围广，使得线阵 CCD 成本较低。所以采用线阵 CCD 探测器替代传统探测器可以有效降低激光粒度仪的制造成本。/pp style="text-indent: 2em "目前，激光粒度仪的光学结构主要有前置式傅里叶透镜光学结构和后置式傅里叶透镜光学结构两种，目前，依然采用前置式傅里叶透镜光学结构的激光粒度仪制造商有丹东百特、辽宁仪表研究所、成都精新以及国外的 Shimadzu、Sympatec 等公司。并且由于干法测量要求的特殊性，一般干法激光粒度仪也采用前置式傅里叶透镜光学结构。因此，本文主要对前置式傅里叶透镜光学结构进行探讨。线阵 CCD 具有 7450 个像素点，单位像素点的尺寸为 4.7× 4.7μm，采用精度为8bit，采样数据率为 30MHz。基于线阵 CCD 的前置式傅里叶光学结构的激光粒度仪系统结构如下图所示。/pp style="text-indent: 0em "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/ff47e6ea-83ad-496d-bcc6-49c8703f9433.jpg" title="基于线阵 CCD 的前置式激光粒度仪系统结构示意图.png"//pp style="text-indent: 0em text-align: center "span style="text-indent: 2em "（基于线阵 CCD 的前置式激光粒度仪系统结构示意图）/span/pp style="text-indent: 2em "随着工业生产实践的不断进步，针对小粒径颗粒、不规则形状颗粒和特殊材料颗粒的研究越来越深入。基于线阵 CCD 探测器的激光粒度仪测量性能需要从颗粒的散射光学模型、仪器的光学结构和采集数据的反演算法三个方面来进一步提高。/pp style="text-indent: 2em "不管是 Mie 氏光散射理论还是夫琅禾费衍射理论，其前提条件都是假设被测样品为球形颗粒。而在实际社会生产过程中，颗粒的形状往往是不规则的，采用传统光散射理论描述颗粒的散射光强分布是不合适宜的，容易造成反演粒度分布偏离真实粒度分布。因此，建立更普适性的颗粒散射光学模型是提高激光粒度测量准确性的关键。使用近似非负约束 Chin-Shifrin 算法是一种获得准确性更高的颗粒粒度分布的方法。/pp style="text-indent: 2em "为了提高颗粒测量粒度范围，扩大线阵 CCD 的可测量散射角，建议采用渐变滤光片系统对中心艾里斑光强进行滤光处理，获取颗粒小角度散射光强信息，同时为了扩大有效测量散射角，设计组合线阵 CCD 探测器，对大角度散射光进行有效采集。另外，为了满足不同社会生产需求，例如在线颗粒测量、超细颗粒粒度测量等。引入更高效的数据反演算法也迫在眉睫。/p

红外光电探测器广泛应用于气体传感、气象遥感以及航天探测等领域。然而目前，传统的红外探测材料主要基于碲化铟、铟镓砷、碲镉汞等，需要分子束外延方法生长，以及倒装键和等复杂工艺与读出电路耦合。虽然探测性能高，但是却受限于成本与产量。胶体量子点（CQD）作为一种新兴的红外探测材料，可以由化学热注射法大规模合成，“墨水式”液相加工可以与硅读出电路直接耦合，大大加快红外焦平面阵列（FPA）的研发进度。目前北京理工大学郝群教授团队已实现320×256、1K×1K百万像素量子点红外焦平面。然而，目前红外胶体量子点暗电流噪声较大的问题限制了成像仪的分辨率和灵敏度。近日，北京理工大学研究团队提出了量子点带尾调控方法，通过量子点成核生长分离的再生长技术，成功得到了形貌可控（如图1）、分散性好、半峰宽窄、带尾态优的红外量子点。图1 不同前驱体合成量子点形貌示意图研究人员基于三种胶体量子点制备了单像素光电导探测器，大幅度降低器件的暗电流和噪声30倍以上，室温下2.5 μm延展短波波段比探测率达到4×10¹¹ Jones，响应时间为0.94 μs（如图2）。图2 光电导探测器结构示意图以及形状控制量子点与两组参考样品的器件性能对比在此基础上，研究人员将HgTe胶体量子点与互补金属氧化物半导体 （CMOS） 读出集成电路 （ROIC） 相集成，制备了640×512像素的焦平面阵列成像芯片，有效像元率高达99.997%。成像过程示意图和成像结果如图3所示。图3 成像过程示意图以及形状控制量子点640×512像素的焦平面成像结果图综上所述，这项研究开发了量子点带尾调控方法，通过单像素光电探测器及红外焦平面验证了该方法在暗电流和噪声抑制上的可靠性，在高性能胶体量子点红外光探测器发展中具有重要意义。相关研究工作于2023年11月发表于中科院1区光学顶刊ACS Photonics。该论文的共同第一作者为郝群教授、博士生薛晓梦和罗宇宁，通讯作者为陈梦璐准聘教授和唐鑫教授。论文链接：https://doi.org/10.1021/acs p hotonics.3c01070

美国伦斯勒理工学院的研究人员开发出了一种基于纳米技术的新型量子点红外探测器(QDIP)。这种以金为主要材料的新型元件可大幅提高现有红外设备的成像素质，将为下一代高清卫星相机和夜视设备的研发提供可能。相关论文发表在《纳米快报》杂志网站上。　　由美国空军科研局资助的这一项目，通过在传统量子点红外探测器元件上增加金纳米薄膜和小孔结构的方式，可将现有量子点红外探测器的灵敏度提高两倍。　　研究人员称，红外探测器的灵敏程度从根本上取决于在去除干扰后所能接收到的光线的多寡。目前大多数红外探测器都以碲镉汞技术(MCT)为基础。该元件对红外辐射极为敏感，可获得较强信号，但同时也面临着无法长时间使用的缺憾(信号强度会逐步降低)。　　在这项新研究中，研究人员使用了一个厚度为50纳米、具有延展性的金薄膜，在其上设置了大量直径1.6微米、深1微米的小孔，并在孔内填充了具有独特光学性能的半导体材料以形成量子点。纳米尺度上的金薄膜可将光线“挤进”小孔并聚焦到嵌入的量子点上。这种结构强化了探测器捕获光线的能力，同时也提高了量子点的光电转换效率。实验结果表明，在不增加重量和干扰的情况下，通过该设备所获得的信号强度比传统量子点红外探测器增强了两倍。下一步，他们计划通过扩大表面小孔直径和改良量子点透镜方法对设备加以改进。研究人员预计，该设备在灵敏度上至少还有20倍的提升空间。　　负责此项研究的伦斯勒理工学院物理学教授林善瑜(音译)称，这一实验为新型量子点红外光电探测器的发展树立了一个新路标。这是近10年来首次在不增加干扰信号的情况下成功使红外探测器的灵敏度得到提升，极有可能推动红外探测技术进入新的发展阶段。　　红外传感及探测设备在卫星遥感、气象及环境监测、医学成像以及夜视仪器研发上均有着广泛的应用价值。林善瑜在2008年时曾开发出一种纳米涂层，将其覆盖在太阳能电池板上，可使后者的阳光吸收率提高到96%以上。

一根燃烧的蜡烛1秒钟可以发射出100亿亿个以上的光子，要探测到能量如此小的单个紫外光子一直是世界技术难题。记者昨天获悉，南京大学电子科学与工程学院长江特聘教授陆海为首的研究团队近来获得突破，在国内首先研制出超灵敏度的固体紫外单光子探测器，从而使中国成为继美国之后第二个掌握这一核心技术的国家。　　&ldquo 自然界中波长小于280纳米的紫外光几乎为零，所以我们探测它相当于在暗室中探测光，只要发现一个小光点就一定是目标。&rdquo 陆海介绍说，可探测400纳米以下紫外辐射的紫外光探测器，是火焰探测、环境监测、生物医药、空间科学等领域所急需的关键部件，也是关系到国家安全的关键技术，可以用来检测海上油污、卫星遥感监测雾霾等。　　光子是光的最小能量量子，也是光作为信息载体的最小传输单位。一根蜡烛1秒钟释放出的超100亿亿个光子中，假设紫外光子只占万分之一，那么在完全不考虑飞行损耗的情况下，1公里以外，面积为1平方厘米的镜头1秒钟只能接收到1000个紫外光子。专门用来捕捉这些&ldquo 小家伙&rdquo 的单光子探测器一直是世界各国研究和竞争的焦点。　　陆海举例说，导弹的飞行尾焰中存在像指纹一样的特殊紫外光谱成分，但距离越远能够传输过来的紫外光就越微弱。利用超灵敏度紫外单光子探测器就有可能在上千公里以外探测和分辨出来袭飞弹，为反制或者规避提供宝贵时间。之前，国际上只有美国罗格斯大学、弗吉尼亚大学、通用电气研发中心三家美国单位成功研制碳化硅单光子探测器。而南大研究团队此次获得突破后，跻身成为第四家。　　南大研究团队研制出的紫外单光子探测器，基于碳化硅半导体芯片技术，能灵敏捕捉到紫外单光子，并且打破了过去依赖于超低温条件的瓶颈。&ldquo 我们的探测器在150℃下仍能正常工作，这是原来任何单光子探测技术都无法达到的。&rdquo 陆海说。这一突破也引起了国际关注，欧洲的《今日半导体》杂志专门长文报道了南大的这一研究成果。　　同时，该探测器有显著的成本优势，有望向民用领域大规模推广，比如高压输电线和高铁供电线路上出现电晕、污闪时，可用其远程检测和定位。&ldquo 目前，紫外火灾报警器用的真空紫外光敏管，综合成本很高。&rdquo 陆海拿出一枚耳钉大小的器件介绍说，未来用如此小的单光子探测器件，不仅造价更便宜，而且防爆、使用寿命更长。　　眼下，南大研究团队在该领域的部分研究成果已开始进入产业化阶段。过量的紫外线照射易诱发皮肤癌，韩国三星公司日前发布的Note4手机就装备了微型紫外线传感器，受到消费者欢迎。而南大研究团队正在和华为合作的贴片封装紫外探测器，尺寸比米粒还小，也将安装到手机或智能手环中，藉由它，用户可随时随地检测所处环境的紫外线强度，以及时防护。

仪器信息网讯 2021年9月27日，第十九届北京分析测试学术报告会暨展览会（BCEIA2021）在北京中国国际展览中心（天竺新馆）正式拉开了帷幕，各大仪器厂商纷纷携重磅产品盛装亮相，此次展览会展出面积达53000 m2，集中展示了国内外先进的分析测试新方法、新技术、新仪器设备、新的解决方案等。AMPTEK展位（E2馆，2401）此次BCEIA展会，有众多知名国外仪器公司相关人员携新品和主推产品也来到了现场，美国AMPTEK公司就是其中之一。AMPTEK是一家成立于1977年的高科技公司，致力于设计并制造各种尖端探测器等，在该领域也一直处于世界领先水平，在OEM厂商中占有非常高的使用率和良好的信用度。值此BCEIA展览会召开之际，仪器信息网特别来到了AMPTEK展位（E2馆，2401），采访到了AMPTEK亚太区经理蒋小虎（英文名：Jerry），并由他向我们介绍了此次AMPTEK带来的产品：包括 X-123Si-pin，X-123FASTSDD（160mm2, 1mm晶体），CdTe，Mini-X2光管和数字多道处理器 PX5,DP5 or DP5-X。AMPTEK亚太区经理蒋小虎（英文名：Jerry）碳化硼（B4C）新窗口碳化硼（B4C）新窗口产品特点和优势• 无Be（对环境无害）, 新材料硼化碳，Al涂膜隔绝有色光 • 相对8um的Be窗厚度，轻元素透过效能好• 新材料采用半导体工艺，厚度均匀，不易漏气目前AMPTEK新窗口已经经受过客户现场真空测试，且主流产品之间都可无缝切换。1000um 晶体探测器AMPTEK从2010年就开始研发超薄晶体探测器了，其间迭代了数代，直到去年（2020年）才真正突破技术发展瓶颈！推出了这款1000um 晶体探测器（以下简称1000um），而在此之前研发的500um晶体探测器（以下简称500um）的性能一直未能满足需求。虽然1000um较500um晶体厚度增加了一倍，但是信噪比却仍能保持一致，并且在15keV以上的透过性能提高了一倍；结合光路设计，让EDXRF能谱仪分析下限从1ppm级别降低到1ppb级别。AMPTEK希望，1000um未来能广泛地应用在稀土元素，土壤，水质重金属元素，半导体晶圆镀层厚度，晶圆面扫描等众多领域。蒋小虎提到了“All technical in House”，这是AMPTEK公司内部的说法，指的是探测器所有的关键材料和工艺都能自主生产。AMPTEK拥有强大的研发团队和独家技术，以“市场和解决客户需求”为核心，致力于提高探测器分辨率达到122eV，而目前研发的产品中分辨率最高已接近理论值119eV。因此，AMPTEK又将研发重心转变为“更大面积”和“更厚晶体”，更大面积探测器产品有70mm2和160mm2，分别可以提高2倍和6倍的计数率；更厚晶体指的就是从500um增加到1000um，5keV能量转换效率提高了一倍。然而，更大更厚的硅偏移探测器，意味会产生更大的暗电流、更强的拖尾、更加复杂的噪音，那么，用什么工艺和新材料去保证新产品的成品率就变成了探测器研发的难点。蒋小虎还分享了目前探测器的研发形势：国外大部分集中在更大面积和阵列硅漂移探测器，国内还处于追赶的初级阶段，仅有2-3家研究机构和企业在做合作开发的工作。目前看，工业探测器领域的竞争对手主要来自德国和美国，但其产品相对单一。而AMPTEK是每年发布新品最多的公司，产品丰富包括SI-PIN、SDD、FASTSDD、CdTe等，还有多样的OEM解决方案，AMPTEK自主开发的数字处理器。AMPTEK公司还拥有经验丰富的本土技术团队，可实现所有的服务如售前，售后和商务活动等。AMPTEK展位产品

01. 导读石墨烯已经实现了许多最初预测的特性，并且正朝着市场迈进。然而，尽管预测的市场影响巨大，基于石墨烯的高性能电子和光子学仍然落后。尽管如此，已经报道了一些令人印象深刻的光电子器件演示，涉及调制器、混频器和光电探测器（PDs），特别是利用石墨烯的高载流子迁移率、可调电学特性和相对容易集成的石墨烯光电探测器已经得到了证明，例如展示了利用光增益效应的高响应度或超过100 GHz的带宽。从紫外线到远红外线之间，尽管石墨烯几乎具有均匀吸收特性，但其相对低的吸收率约为2.3%，这是其中一个主要挑战。因此，大多数速度最快、性能最佳的探测器都是在硅或硅化物等光子集成电路（PIC）平台上进行演示的。通过石墨烯的电场的平行传播，可以提供更长的相互作用长度，从而增加吸收率。通过使用等离子体增强技术，甚至可以实现更短和更敏感的探测器。尽管在光子集成电路上使用石墨烯已经展示了多种功能应用，但光子集成电路的整合也有其代价。光子集成电路的整合限制了可访问的波长范围，无论是由于波导材料（如Si）的透明度限制，还是由于集成光学电路元件（如光栅耦合器、分光器等）的有限带宽。此外，光子集成电路的整合对偏振依赖性和占地面积都有一定的限制，这是由于访问波导的原因。光子集成电路的模式和等离子体增强也意味着所有光线只与石墨烯的一个非常有限的体积相互作用，导致早期饱和的发生，有效地将最大可提取的光电流限制在微安级别。作为一种替代方案，可以直接从自由空间垂直照射石墨烯。这种方法可以充分利用石墨烯的光电检测能力，而不会受到所选择光子平台的限制。然而，这需要一种结构来有效增强石墨烯的吸收。此外，由于器件尺寸较大，对整体器件几何结构和接触方案的额外考虑更加关键。尽管如此，已经证明即使是与自由空间耦合的石墨烯探测器也可以达到超过40 GHz的带宽。由于没有光子集成电路的一些约束，整体效率不会受到耦合方案的影响，而且其他属性，如不同波长和偏振，现在也可以自由访问。例如，最近利用任意偏振方向来演示了中红外区域的极化解析检测中的定向光电流。石墨烯提供了多种物理检测效应：与传统的光电探测器（如PIN光电二极管或玻璃热计）只使用一种特定的检测机制不同，石墨烯探测器具有多种不同的检测机制，例如基于载流子的机制[光电导（PC）和光伏（PV）]，热机制[玻璃热（BOL）和光热电（PTE）]，或者增益介质辅助的机制。最近的器件演示已经朝着光热电复合操作的方向推进，以克服依赖偏置检测机制时的高暗电流问题。对石墨烯的时间分辨光谱测量表明，载流子动力学可以实现超过300 GHz的热和基于载流子的石墨烯光电探测器。对于设计高速、高效的石墨烯光电探测器来说，目前仍不清楚哪种直接检测机制（PV、PC、BOL或PTE）可以实现最高的带宽，并且这些效应中的许多效应可以同时存在于一个器件中，使得专门的设计变得困难。02. 成果掠影鉴于此，瑞士苏黎世联邦理工学院电磁场研究所Stefan M. Koepfli报道了一种零偏置的石墨烯光电探测器，其电光带宽超过500 GHz。我们的器件在环境条件下可以覆盖超过200 nm的大波长范围，并可适应各种不同的中心波长，从小于1400 nm到大于4200 nm。材料完美吸收层提供共振增强效应，同时充当电接触，并引入P-N掺杂，实现高效快速的载流子提取。光可以通过标准单模光纤直接耦合到探测器上。直接的自由空间耦合使光功率可以分布，导致高于100 mW的饱和功率和超过1 W的损伤阈值。该探测器已经经过高速操作测试，最高速率可达132 Gbit/s，采用两电平脉冲幅度调制格式（PAM-2）。多层结构几乎可以独立于基底进行加工处理，为成本效益高的技术奠定了基础，该技术可以实现与电子器件的紧密单片集成。我们进一步展示了该方法的多样性，通过调整超材料的几何形状，使其在中红外波长范围内工作，从而在原本缺乏此类探测器的范围内提供高速和成本效益高的探测器。因此，这种新型传感器为通信和感知应用提供了机会。相关研究成果以“Metamaterial graphene photodetector with bandwidth exceeding 500 gigahertz”为题，发表在顶级期刊《Science》上。03. 核心创新点本文的核心创新点包括：1. 基于图形石墨烯的光电探测器：本文提出了一种利用单层石墨烯的光电探测器。与传统的光电二极管或波尔计可以利用一种特定的探测机制不同，图形石墨烯探测器具有多种不同的探测机制，包括载流子机制、热机制和增益介质辅助机制。2. 电光带宽：本文展示了具有大于500 GHz的电光带宽的图形石墨烯探测器。这意味着该探测器能够高速响应光信号，适用于高速通信和数据传输。3. 多波段操作和宽光谱范围：图形石墨烯探测器能够在多个波段上工作，并且具有超过200 nm的宽光谱范围。这使得该探测器在通信和传感等领域具有广泛的应用潜力。4. 自由空间耦合和紧凑集成：本文展示了通过自由空间耦合的方式将光信号直接耦合到探测器中，避免了光子集成电路中的限制，并且实现了紧凑的集成。这使得探测器具有更好的灵活性和可扩展性。5. 高饱和功率和低压操作：图形石墨烯探测器具有高饱和功率，能够抵消响应度的影响。此外，它还能在低电压范围内进行操作，与CMOS技术兼容，使得探测器具有更低的功耗和更好的性能。04. 数据概览图1. 间隔式石墨烯超材料光电探测器的艺术视角。（A）从顶部直接通过单模光纤照射器件的艺术化表现。（B）器件结构的可视化。光电探测器由金反射层背板、氧化铝间隔层、单层石墨烯和相连的偶极子谐振器组成。金属线具有交替的接触金属，由银或金制成。然后，该结构由氧化铝钝化层封顶。图2. 制备的器件和模拟的光学和电子行为。（A至D）所提出的超材料石墨烯光电探测器（钝化前）的扫描电子显微图，放大倍数不同。显微图展示了从电信号线到活动区域再到谐振器元件的器件结构。在（D）中显示了四个单元格（每个单元格大小为1 mm × 1 mm），位于x和y坐标系中。比例尺分别为50mm（A），5 mm（B）和1 mm（C）。（E至G）同一单元格的模拟光学和静电行为。图（E）中展示了电磁场分布下的偶极子天线行为，图（F）中展示了相应的吸收分布。大部分吸收都集中在偶极子谐振器附近。图（G）中展示的模拟接触金属引起的电势偏移显示了由于交替接触金属而引起的P-N掺杂。沿着每种模拟类型（（E）至（G））的中心线（y = 1000 nm）的横截面位于每个面板的底部，显示光学信号和掺杂在接触区域附近最强。图3. 用于电信波长的器件性能。（A）用光学显微镜拍摄的器件在与电子探针接触时的顶视图（顶部）和侧视图（底部）图像。图像显示了与单模光纤的直接光学耦合。DC表示直流，RF表示射频。（B）归一化的光电响应随照射波长变化的曲线图，显示了共振增强和宽带工作。FWHM表示半峰全宽。（C）光输入功率变化范围内提取的光电流，范围跨越了五个数量级（黑线）。蓝线对应于器件上的光功率（Int.），而黑线对应于单模光纤输出的功率（Ext.）。响应度分别为Rext = 0.75 mA/W和Rint = 1.57 mA/W。（D）石墨烯光电探测器在2至500 GHz范围内的归一化频率响应。测量结果显示平坦的响应，没有滚降行为。WR代表波导矩形。（E）不同射频音调下的归一化射频响应随栅压的变化。发现理想的栅压在-2.5 ±1 V附近，使得响应平坦，这对应于轻微的P掺杂，可以从底部的电阻曲线中看出。电阻曲线进一步显示靠近0 V的狄拉克点和非常小的滞后行为（在图S2中进一步可视化）。（F）测量栅电压范围的相应模拟电势剖面，显示了理想的栅电压（以红色突出显示），对应于两个接触电平中心处的掺杂。图4. 光谱可调性和多共振结构。（A至C）模拟（A）和测量（B）不同元件共振器长度的光谱吸收，展示了元件结构的可调性。图中给出了四个示例的极化无关设计的扫描电子显微镜图像（C），其中颜色对应于（A）中所示的共振器长度刻度。比例尺为1 mm。（D至G）多共振器件的概念。（D）针对1550和2715 nm的双共振器件的扫描电子显微镜图像。顶部比例尺为1 mm，底部比例尺为5 mm。（E）相应的电场模拟，使用3个单元单元格乘以2个单元单元格的双共振器件，激发波长分别为1550和2715 nm，显示了两个不同尺寸共振器的清晰偶极子行为。（F）器件上的光电流与光功率的关系图和（G）两个波长的测量响应度与电压的关系图。05. 成果启示我们展示的2 GHz至500 GHz以上的电光带宽光电探测器与传统的PIN光电探测器技术和单向载流子光电二极管相媲美。垂直入射的元件结构图形PD在单个器件中充分发挥了图形的预期优势。从概念上讲，该探测器的性能利用了元件吸收增强、通过图形-金属接触掺杂的内置电场、通过静电门实现的良好控制的工作点以及化学气相沉积生长的图形的有效封装。探测器依赖于相对简单的金属-绝缘体-图形-金属-绝缘体的层状结构，这种结构潜在地可以在几乎任何衬底上进行后处理，并支持与现有结构的高度密集的单片集成，类似于等离子体调制器的示例。与大多数先前关于图形探测器的工作不同，我们展示了在无冷却条件下的空气稳定操作，使用了与互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的低电压范围的栅压，这是由于直接生长的封装层结构与底部绝缘体设计的结合效果所致。通过这些器件，我们展示了132 Gbit/s的数据传输速率，这是迄今为止已知的最高速度的图形数据传输速率。高饱和功率使得高速检测成为可能。在受到射击噪声限制的通信系统中，高饱和功率可以抵消适度的响应度，因为信噪比与响应度和输入功率成正比。此外，适度的响应度可以改善。以前的自由空间照明的图形光电探测器依赖于载流子倍增或基于剥离的多层图形而达到了更高的响应度，而没有任何光学增强。因此，还有很大的空间来共同努力进一步完善这个概念，改进制造工艺，并实现更高质量的图形材料。这些努力很可能会导致新一代的基于图形的探测器，具有足够的响应度。最后，大于500 GHz的高带宽和图形的波长无关吸收使得探测器可以在从1400 nm到4200 nm及更远的范围内的任何波长上工作。这对于传感和通信都是相关的。例如，在电信领域，持续增长的数据需求导致了对新通信频段的强烈需求。这种具有紧凑尺寸和与CMOS集成能力的新型探测器可能能够满足当前迫切需求。原文详情：Metamaterial graphene photodetector with bandwidth exceeding 500 gigahertzStefan M. Koepfli, Michael Baumann, Yesim Koyaz, Robin Gadola, Arif Gngr, Killian Keller, Yannik Horst, ShadiNashashibi, Raphael Schwanninger, Michael Doderer, Elias Passerini, Yuriy Fedoryshyn, and Juerg Leuthold.Science, 380 (6650), DOI: 10.1126/science.adg801

近期，高性能制冷红外探测器生产厂商中科爱毕赛思（常州）光电科技有限公司（以下简称“中科爱毕赛思”）完成数亿元融资，资金将用于二期产线建设、新一代产品研发及市场拓展。本次融资由海通证券旗下海通创新资本领投，方广资本、常金控、元科投资跟投；老股东昇和资本、国海创新资本、常州高新投持续投资。锑化物II类超晶格技术自从20世纪70年代锑化物II类超晶格的理论被提出以来，基于InAs/GaSb 体系的II类超晶格材料受到了极大的关注，其基本原理是通过InAs层与GaSb层的重复交替排列形成一维周期性结构。类似于周期性排列的晶格，超晶格周期性的长短变化使超晶格表现出从半金属到窄带隙半导体的特性。InAs/GaSb超晶格的特点是InAs与GaSb之间形成II型离隙型能带结构，电子与空穴被分别限制在InAs与GaSb层中，相邻InAs层中电子波函数的交叠形成电子微带，同样地，相邻GaSb层中空穴波函数的交叠形成空穴微带。通过电子吸收光子在最高空穴微带（重空穴带）与最低电子微带（第一电子微带）之间的跃迁来实现对光信号的响应。红外探测器“一代器件，一代整机，一代装备”，红外探测器是红外产业链的核心器件。红外探测器性能高低直接决定了红外成像的质量。红外探测器在红外成像系统中的地位类似于人视觉系统中的视网膜，将从环境中检测的红外辐射的信号，转变为机器可以识别的电流或电压的信号，是探测、识别和分析目标物体红外信息的关键。据具体的需求和应用，红外探测器会有不同的分类，最为常见的是根据制冷需求，分为制冷红外探测器和非制冷红外探测器。制冷型红外探测器一般指的是利用半导体材料的光子效应制成的探测器，光电效应需要半导体冷却到较低温度才能够观测，所以红外系统需要制冷后才能使用。制冷型红外探测器具有温度灵敏度高、响应速度快、探测器距离远等优点，因此应用广泛，主要包括：（1）科学研究：在科学研究领域，制冷型长波红外探测器可用于天文学、气象学、地球物理学等学科的研究。它能够探测到来自宇宙的红外辐射，为科学家提供有关宇宙起源、星体演化等重要信息。（2）野生动物研究：中长波双色制冷红外探测器可以用于野生动物研究中，通过探测动物的红外辐射来观察和研究动物的行为和习性，对于生态保护和动物学研究具有重要意义。（3）工业应用：在工业领域，制冷型长波红外探测器可用于检测机器设备的工作状态和故障预警，例如对发动机、涡轮机等进行检测。它能够实时监测机器设备的运行状态，及时发现潜在的故障和问题，从而提高生产效率和设备使用寿命。（4）环境监测：在环境监测领域，制冷型长波红外探测器可用于检测空气污染、气体泄漏、森林火灾等环境问题。它能够快速准确地检测到环境中的异常变化，为环境保护和应急响应提供及时准确的信息支持。（5）安防应用：在安防领域，制冷型长波红外探测器可用于安全监测、防止非法入侵和犯罪活动。它能够进行24小时不间断的红外监测，对目标进行精确的探测和识别，从而有效地保障公共安全和财产安全。（6）消防救援：在火灾发生时，中长波双色制冷红外探测器可以通过探测火焰和烟雾的红外辐射来及时发现火源，从而帮助消防人员快速定位火点并进行救援。（7）特殊应用：制冷型长波红外探测器可用于侦察、目标跟踪等任务。它具有抗干扰能力强、探测距离远、探测精度高等优点。展望未来中科爱毕赛思正式成立于2020年，是一家专注于光电技术领域的高科技企业，致力于锑化物超晶格技术产业化，推动高性能半导体光电子技术产业的发展。公司已经掌握了分子束外延生长（MBE）与芯片制备的核心技术，并具备新一代高性能光电子器件从结构设计、材料外延、器件制备到组件封装的全产业链技术能力。未来，中科爱毕赛思（常州）光电科技有限公司将持续推动锑化物超晶格的发展，坚持科技创新、自立自强的理念，不断追求卓越，努力成为一流的高性能红外探测器供应商。

一． 近红外双模式单光子探测器介绍SPD_NIR为900nm至1700 nm的近红外范围内的单光子检测带来了重大突破。 SPD_NIR建立在冷却的InGaAs / InP盖革模式单光子雪崩光电二极管技术上，是NIR单光子检测器的第一代产品，可同时执行同步“门控”（GM）和异步“自由运行”（FR ）检测模式。 用户通过提供的软件界面选择检测模式。冠jun级别的器件具有低至800 cps的超低噪声，高达30％的高校准量子效率，100 ns最小死区，100 MHz外部触发，150 ps的快速成帧分辨率和极低的脉冲 。 当需要光子耦合时，标准等级可提供非常有价值且经济高效的解决方案。基于工业设计，该设备齐全的探测器不需要任何额外的笨重的冷却系统和控制单元。 经过精心设计的紧凑性及其现代接口使SPD_NIR非常易于集成到最苛刻的分析仪器和Quantum系统中。OEM紧凑型 多通道控制器软件界面二． 近红外双模式单光子探测器原理TPS_1550_type_II是基于远程波长自发下变频的双光子源。TPS_1550_type_II采用波导周期性极化铌酸锂(WG-ppln)晶体，用于产生光子对。波导- ppln的转换效率比任何块状晶体都高2到3个数量级，并确保与单模光纤的高效耦合。0型和II型双光子的产生三． 近红外双模式单光子探测器应用特点特点： ▪ 自由模式 & 门模式▪ 集成电子计数▪ 校准后 QE可达 30%▪ TTL和NIM信号兼容▪ 暗记数 800 cps▪ 软件可远程控制▪ 最小死时间 100 ns▪ 冷却板兼容欧盟/美国▪ 外部触发频率：可达100 MHz▪ DLL 文件库 : Python, C++, LabVIEW应用方向：▪ 量子通信▪ 盖革模式激光雷达▪ 量子密钥分发▪ 高分辨率OTDR▪ 光子源特性▪ FLIM 成像▪ 符合测试▪ 光纤传感四． 近红外双模式单光子探测器技术规格五． Aura 介绍AUREA Technology是法国一家知名的探测器供应商，公司致力于尖端技术的研发，基于先进的单光子雪崩光电二极管，超快激光二极管和快速定时电子设备，设计和制造了新一代高性能，功能齐全的近红外探测器。作为全球技术领导者之一，AUREA技术提供盖革模式单光子计数，皮秒激光源，快速时间关联和光纤传感仪器。此外，AUREA Technology直接或通过其在北美，欧洲和亚洲的专业分销渠道为200多个全球客户提供一流的专业支持。并与客户紧密合作，以应对当今和未来在量子安全，生命科学，纳米技术，汽车，医疗和国防领域的挑战。昊量光电作为法国AUREA公司在中国区域的独家代理商，全权负责法国Aurea公司在中国的销售、售后与技术支持工作。AUREA技术提供了新一代的光学仪器，使科学家和工程师实现卓越的测量结果。奥瑞亚科技与全球的客户和合作伙伴紧密合作，共同应对量子光学、生命科学、纳米技术、化学、生物医学、航空和半导体等行业的当前和未来挑战双光子是展示量子物理原理的关键元素，并实现新的量子应用。例如，双光子使量子密钥分发技术得以发展，以确保数百公里范围内的数据网络安全。在生物成像应用中，双光子光源产生原始的无色散测量。 更多详情请联系昊量光电/欢迎直接联系昊量光电关于昊量光电：上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。

近日，中国科学院上海技术物理研究所胡伟达、苗金水团队与北京大学彭海琳团队合作，提出将动量匹配和能带匹配（能动量匹配）的范德华异质结应用于红外探测，结果表明该器件设计可显著提高二维材料红外探测器量子效率，为研制高量子效率红外探测器提供了新方法。相关研究成果以Momentum-matching and band-alignment van der Waals heterostructures for high-efficiency infrared photodetection为题，发表在《科学进展》（Science Advances）上。窄禁带二维半导体具有层间范德华力任意堆叠成异质结构、无表面悬挂键、暗电流极易被外场操控等优点，为研制室温、高灵敏红外探测器提供了新机遇。然而，二维半导体原子级薄层特性限制了其高量子效率红外探测器的应用。本研究创新性地将新型能动量匹配范德华异质结应用于红外探测器技术。研究显示，二维半导体Black phosphorus（BP）的价带顶和Bi2O2Se的导带底位于布里渊区的Γ点（图1a），光生载流子在界面处能直接跃迁到BP和Bi2O2Se的导带，提高了光生载流子的跃迁几率和产生率。BP和Bi2O2Se形成了完美的Ⅱ类能带结构（图1b），进而提高了光生载流子的收集效率。本研究制备的能动量匹配BP/Bi2O2Se异质结红外探测器实现了与传统材料红外探测器相比拟的量子效率，在1.3 μm时量子效率达到84%，在2 μm时量子效率达到76.5%（图1c）。此外，该BP/Bi2O2Se异质结红外探测器实现了较高的偏振特性，在短波红外波段偏振比达到17（图1d）。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院、上海市自然科学基金的支持。动量匹配与能带匹配的范德华红外探测器：a、动量匹配的BP/Bi2O2Se异质结能谷结构示意图；b、能带匹配的BP/Bi2O2Se异质结能带结构示意图；c、能动量匹配的BP/Bi2O2Se异质结红外探测器的量子效率；d、能动量匹配的BP/Bi2O2Se异质结红外探测器的偏振特性。

这里是TESCAN电镜学堂第五期，将继续为大家连载《扫描电子显微镜及微区分析技术》(本书简介请至文末查看)，帮助广大电镜工作者深入了解电镜相关技术的原理、结构以及最新发展状况，将电镜在材料研究中发挥出更加优秀的性能！第二节 探测器系统扫描电镜除了需要高质量的电子束，还需要高质量的探测器。上一章中已经详细讲述了各种信号和衬度的关系，所以电镜需要各种信号收集和处理系统，用于区分和采集二次电子和背散射电子，并将SE、BSE产额信号进行放大和调制，转变为直观的图像。不同厂商以及不同型号的电镜在收集SE、BSE的探测器上都有各自独特的技术，不过旁置式电子探测器和极靴下背散射电子检测器却较为普遍，获得了广泛的应用。§1. 旁置式电子探测器（ETD）① ETD的结构和原理旁置式电子探测器几乎是任意扫描电镜（部分台式电镜除外）都具备的探测器，不过其名称叫法很多，有的称为二次电子探测器（SE）、有的称为下位式探测器（SEL）等。虽然名称不同，但其工作原理几乎完全一致。这里我们将其统一称为Everhart Thornley电子探测器，简称为ETD。二次电子能量较小，很容易受到其它电场的影响而产生偏转，利用二次电子的这个特性可以对它进行区分和收集，如图3-25。在探测器的前端有一个金属网（称为法拉第笼），当它加上电压之前，SE向四周散射，只有朝向探测器方向的少部分SE会被接收到；当金属纱网加上+250V～350V的电压时，各个方向散射的二次电子都受到电场的吸引而改变原来的轨迹，这样大部分的二次电子都能被探测器所接收。图3-25 ETD的外貌旁置式电子探测器主要由闪烁体、光电管、光电倍增管和放大器组成，实物图如图3-26，结构图如图3-27。从试样出来的电子，受到电场的吸引而打到闪烁体上（表面通常有10kV的高压）产生光子，光子再通过光导管传送到光电倍增管上，光电倍增管再将信号送至放大器，放大成为有足够功率的输出信号，而后可直接调制阴极射线管的电位，这样便获得了一幅图像。图3-26 旁置式电子探测器的工作原理图3-27 Everhart-Thornley电子探测器的结构图一般电镜的ETD探测器的闪烁体部分都使用磷屏，成本相对较低，不过其缺点是在长时间使用后，磷材质会逐步老化，导致电镜ETD的图像信噪比越来越弱，对于操作者来说非常疲劳，所以发生了信噪比严重下降的时候需要更换闪烁体。而TESCAN全系所有电镜的ETD探测器的闪烁体都采用了钇铝石榴石（YAG）晶体作为基材，相比磷材质来说具有信噪比高、响应速度快、无限使用寿命、性能不衰减等特点。② 阴影效应ETD由于在极靴的一侧，而非全部环形对称，这样的几何位置也决定了其成像有一些特点，比如会产生较强的阴影效应。ETD通过加电场来改变SE的轨迹，而当样品表面凹凸较大，背向探测器的“阴面”所产生的二次电子的轨迹不足以绕过试样而最终被试样所吸收。在这些区域，探测器采集不到电子信号，而最终在图像上呈现更暗的灰度。而在朝向探测器的阳面，产生的信号没有任何遮挡，呈现出更亮灰度，这就是阴影效应。如图3-28，A和B区域倾斜度相同，按照倾斜角和产额的理论两者的二次电子产额相同。但是A区域的电子可被探测器无遮挡接收，而B区域则有一部分电子要被试样隆起的部分吸收掉，从而造成ETD实际收集到的电子产额不同，显示在图像上明暗不同。图3-28 ETD的阴影效应阴影效应既是优点也是缺点，阴影效应给图像形成了强烈的立体感，但有时也会使得我们对一些衬度和形貌难以做出准确的判断。如图3-29，左右两者图仅仅是图像旋转了180度，但试样表面究竟是球形凸起还是凹坑，一时难以判断，可能会给人视觉上的错觉。图3-29 球状突起物还是球状凹坑不过遇到这样的视觉错觉也并非无计可施，我们可以利用阴影效应对图像的形貌做出准确的判断。首先将图像旋转至特定的几何方向，将ETD作为图像的“北”方向，电子束从左往右进行扫描。如果形貌表面是凸起，电子束从上扫到下，先是经过阳面然后经过阴面，表现在图像上则应该是特征区域朝上的部分更亮。反之，如果表面是凹坑，则图像上朝上的部分显得更暗。由此，我们可以非常快速而准确的知道样品表面实际的起伏情况。（后面还将介绍其它判断起伏的方法）图3-30 利用阴影效应进行形貌的判断③ ETD的衬度在以前很多地方都把ETD称之为SE检测器，这种叫法其实不完全正确。ETD除了能使得SE偏转而接收二次电子，也能接收原来就向探测器方向散射的背散射电子。所以在加上正偏压的情况下，ETD接收到的是SE和BSE的混合电子。据一些报道称，其中BSE约占10-15%左右。如果将ETD的偏压调小，探测器吸引SE的能力变弱，而对BSE几乎没有什么影响。所以可以通过改变ETD的偏压来调节其接收到的SE和BSE的比例。如果将ETD的偏压改为较大的负电压，由于SE的能量小于50eV，受到电场的斥力，不能达到探测器位置，而朝向探测器方向散射的BSE因为能量较高不易受电场影响而被探测器接收，此时ETD接收到的完全是背散射电子信号。如图3-31，铜包铝导线截面试样在ETD偏压不同下的图像，左图主要为SE，呈现更多的形貌衬度；右图全部BSE，呈现更多的成分衬度。图3-31 ETD偏压对衬度的影响所以不能把使用ETD获得的图像等同于SE像，更不能等同于形貌衬度。这也是为什么作者更倾向于用ETD来称呼此探测器，而不把它叫做二次电子探测器。④ ETD的缺点ETD是一种主动式加电场吸引电子的工作方式，它不但能影响二次电子的轨迹，同时也会对入射电子产生影响。在入射电子能量较高时，这种影响较弱，但随着入射电子能量的降低，这种影响越来越大，所以ETD在低电压情况下，图像质量会显著下降。此外，ETD能接收到的信号相对比较杂乱，除了我们希望的SE1外，还接收了到了SE2、SE3和BSE，如图3-32。而后面三种相对来说分辨率都较SE1低很多，尤其SE3，更是无用的背底信号，这也使得ETD的分辨率相对其它镜筒内探测器来说要偏低。图3-32 ETD实际接收的信号§2. 极靴下固体背散射探测器背散射电子能量较高，接近原始电子的能量，所以受其它电场力的作用相对较小，难以像ETD探测器一样通过加电场的方式进行采集。极靴下固体背散射电子探测器是目前通用的、被各厂商广泛采纳的技术。极靴下固体背散射电子探测器一般采用半导体材料，位置放置在极靴下方，中间开一个圆孔，让入射电子束能入射到试样上，如图3-33。原始电子束产生的二次电子和背散射电子虽然都能达到探测器表面，不过由于探测器表面采用半导体材质，半导体具有一定的能隙，能量低的二次电子不足以让半导体的电子产生跃迁而形成电流，所以二次电子对探测器无法产生任何信号。而背散射电子能量高，能够激发半导体电子跃迁而产生电信号，经过放大器和调制器等获得最终的背散射电子图像，如图3-34。图3-33 极靴下背散射电子信号采集示意图图3-34 半导体式固体背散射电子探测器极靴下固体背散射电子探测器属于完全被动式收集，利用半导体的能带隙，将二次电子和背散射电子自然区分开。探测器本身无需加任何电场或磁场，对入射电子束也不会有什么影响，因此这种采集方式得到了广泛运用。有的固体背散射电子探测器被分割成多个象限，通过信号加减运算，可以实现形貌模式、成分模式和阴影模式等，有关这个技术和应用将在后面的章节中进行介绍。极靴下固体背散射电子探测器除了使用半导体材质外，还有使用闪烁体晶体的，比如YAG晶体。闪烁体型的工作原理和半导体式类似，如图3-36。能量低的二次电子达到背散射电子探测器后不会有任何反应，而能量高的背散射电子却能引起闪烁体的发光。产生的光经过光导管后，在经过光电倍增管，信号经过放大和调制后转变为BSE图像。闪烁体相比半导体式的固体背散射电子探测器来说，拥有更好的灵敏度、信噪比和更低的能带宽度，见图3-35。图3-35 不同材质BSE探测器的灵敏度图3-36 YAG晶体式固体背散射电子探测器一般常规半导体二极管材质的灵敏度约为4～6kV，也就说对于加速电压效应5kV时，BSE的能量也小于5kV。此时常规的半导体背散射电子探测器的成像质量就要受到很大的影响，甚至没有信号。后来半导体二极管材质表面进行了一定的处理，将灵敏度提高到1～2kV左右，对低电压的背散射电子成像质量有了很大的提升。而YAG晶体等闪烁体的灵敏度通常在500V～1kV左右。特别是在2015年03月，TESCAN推出了最新的闪烁体背散射电子探测器LE-BSE，更是将灵敏度推向到200V的新高度，可以在200V的超低电压下直接进行BSE成像。因为现在低电压成像越来越受到重视和应用，但是以往只是针对SE图像；而现在BSE图像也实现了超低电压下的高分辨成像，尤其对生命科学有极大的帮助，如图3-37。图3-37 LE-BSE探测器的超低电压成像：1.5kV（左上）、750V（右上）、400V（左下）、200V（右下）§3. 镜筒内探测器前面已经说到ETD因为接收到SE1、SE2、SE3和部分BSE信号，所以分辨率相对较低，为了进一步提高电镜的分辨率，各个厂商都开发了镜筒内电子探测器。由于特殊的几何关系，降低分辨率的SE2、SE3和低角BSE无法进入镜筒内部，只有分辨率高的SE1和高角BSE才能进入镜筒，因此镜筒内的电子探测器相对镜筒外探测器分辨率有了较大的提高。不过各个厂家或者不同型号的镜筒内探测器相对来说不像镜筒外的比较类似，技术差别较大，这里不再进行一一的介绍，这里主要针对TESCAN的电镜进行介绍。TESCAN的MIRA和MAIA场发射电镜都可以配备镜筒内的SE、BSE探测器，如图3-38。图3-38 TESCAN场发射电镜的镜筒内电子探测器值得注意的是InBeam SE和InBeam BSE是两个独立的硬件，这和部分电镜用一个镜筒内探测器来实现SE和BSE模式是截然不同的。InBeam SE探测器设计在物镜的上方斜侧，可以高效的捕捉SE1电子，InBeam BSE探测器设计在镜筒内位置较高的顶端，中心开口让电子束通过，形状为环形探测器，可以高效的捕捉高角BSE。镜筒内的两个探测器都采用了闪烁体材质，具有良好的信噪比和灵敏度，而且各自的位置都根据SE和BSE的能量大小和飞行轨迹，做了最好的优化。而且两个独立的硬件可以实现同时工作、互不干扰，所以TESCAN的场发射电镜可以实现镜筒内探测器SE和BSE的同时采集，而一个探测器两种模式的设计则不能实现SE和BSE的同时扫描，需要转换模式然后分别扫描。§4. 镜筒内探测器和物镜技术的配合镜筒内电子探测器分辨率比镜筒外探测器高不仅仅是由于其只采集SE1和高角BSE电子，往往是镜筒内探测器还配了各家特有的一些技术，尤其是物镜技术。TESCAN和FEI的半磁浸没模式、日立的磁浸没式物镜和E×B技术，蔡司的复合式物镜等，这里我们也不一一进行介绍，主要针对使用相对较多半磁浸没式透镜技术与探测器的配合做简单的介绍。常规无磁场透镜和ETD的配合前面已经做了详细介绍，如图3-39左。几乎所有扫描电镜都有这样的设计。而在半磁浸没式物镜下（如MAIA的Resolution模式），向各个方向散射的二次电子和角度偏高的背散射电子会在磁透镜的洛伦兹力作用下，全部飞向镜筒内。二次电子因为能量低所以焦距短，在物镜附近盘旋上升并快速聚焦，如图3-39中。因此只要在物镜附近上方的侧面放置一个类似ETD的探测器，只需要很小的偏压，就能将已经聚焦到一处的二次电子全部收集起来，同时又不会对原始电子束产生影响。所以镜筒内二次电子探测器与半浸没式物镜融为一体、相辅相成，提升了电镜的分辨率，尤其是低电压下的分辨率。背散射电子因为能量高，焦距较长，相对高角的背散射电子能够聚焦到镜筒内，在物镜附近聚焦后继续向上方发散飞行。此时在这部分背散射电子的必经之路上放置一个环形闪烁体，就可以将高角BSE全部采集，如图3-39右。图3-39 常规无磁场物镜和ETD（左）、半浸没式物镜和镜筒内探测器（中、右）§5. 扫描透射探测器（STEM）当样品很薄的时候，电子束可以穿透样品形成透射电子，因此只要在样品下方放置一个探测器就能接收到透射电子信号。一般STEM探测器有两种，一种是可伸缩式，一种是固定式，如图3-40。固定式的STEM探测器是将样品台与探测器融合在了一起，样品必须为标准的φ3铜网或者制成这样的形状（和TEM要求一样）。图3-40 可伸缩式STEM（左）与固定式STEM（右）STEM探测器和背散射电子探测器类似，一般也采用半导体材质，并分割为好几块，如图3-41。其中一块位于样品的正下方，主要用于接收正透过样品的透射电子，即所谓的明场模式；还有的位于明场探测器的周围，接收经过散射的透射电子，即所谓的暗场模式。有的STEM探测器在暗场外围还有一圈探测器，接收更大散射角的透射电子，即所谓的HAADF模式。不过即使没有HAADF也没关系，只要样品离可伸缩STEM的距离足够近，暗场探测器也能接收到足够大角度散射的透射电子，得到的图像也类似HAADF效果。图3-41 STEM探测器结构§6. 其它探测器除了电子信号探测器外，扫描电镜还可以配备很多其它信号的探测器，比如X射线探测器、荧光探测器、电流探测器等。不过电镜厂家相对来说只专注于电子探测器，而TESCAN相对来说比较全面，除了X射线外，其它信号均有自己的探测器。X射线探测器将在能谱部分中做详细的介绍。① 荧光探测器TESCAN的荧光探测器按照几何位置分为标准型和紧凑型两种，如图3-42。标准型荧光探测器类似极靴下背散射电子探测器，接收信号的立体角度较大，信号更强，不过和极靴下背散射电子探测器会有位置冲突；而紧凑型荧光探测器类似能谱仪，从极靴斜上方插入过来，和背散射探测器可以同时使用，不过接收信号的立体角相对较小。图3-42 标准型（左）和紧凑型（右）荧光探测器如果按照性能来分，荧光探测器又分为单色和彩色两类，如图3-43。单色荧光将接收到的荧光信号经过聚光系统进行放大，不分波长直接调制成图像；彩色荧光信号经过聚光系统后，再经过红绿蓝三原色滤镜后，分别进行放大处理，再利用色彩的三原色叠加原理产生彩色的荧光图像。黑白荧光和彩色荧光和黑白胶片及数码彩色CCD原理极其类似。一般单色型探测器由于不需要滤镜，所以有着比彩色型更好的灵敏度；而彩色型区分波长，有着更丰富的信息。为了结合两者的优势，TESCAN又开发了特有的Rainbow CL探测器。在普通彩色荧光探测器的基础上增加了一个无需滤镜的通道，具有四通道，将单色型和彩色型整合在了一起，兼顾了灵敏度和信息量。图3-43 黑白荧光和彩色荧光探测器阴极荧光因为其极好的检出限，对能谱仪/波谱仪等附件有着很好的补充作用，不过目前扫描电镜中配备了阴极荧光探测器的还不多。图3-44含CRY18（蓝）和YAG-Ce（黄）的阴极荧光（左）与二次电子（右）图像② EBIC探测器EBIC探测器结构很简单，主要由一个可以加载偏压的单元和一个精密的皮安计组成。甚至EBIC可以和纳米机械手进行配合，将纳米机械手像万用表的两极一样，对样品特定的区域进行伏安特性的测试，如图3-45。图3-45 EBIC探测器与纳米机械手配合检测伏安特性 第三节、真空系统和样品室内（台）电子束很容易被散射，所以SEM电镜必须保证从电子束产生到聚焦到入射到试样表面，再到产生的SE、BSE被接收检测，整个过程必须是在高真空下进行。真空系统就是要保证电子枪、聚光镜镜筒、样品室等各个部位有较高的真空度。高真空度能减少电子的能量损失，提高灯丝寿命，并减少了电子光路的污染。钨灯丝扫描电镜的电子源真空度一般优于10-4Pa，通常使用机械泵—涡轮分子泵，不过一些较早型号的电镜还采用油扩散泵。场发射扫描电镜电子源要求的真空度更高，一般热场发射为10-7Pa，冷场发射为10-8Pa。场发射SEM的真空系统主要由两个离子泵（部分冷场有三个离子泵）、扩散泵或者涡轮分子泵、机械泵组成。而对于样品室的真空度，钨灯丝和欧美系热场的要求将对较低，一般优于2×10-2Pa即可开启电子枪，所以换样抽真空的时间比较短；而日系热场电镜或者冷场电镜则要达到更高的真空度，如9×10-4Pa才能开启电子枪。为了保证换样时间，日系电镜一般都需要额外的交换室，在换样的时候，利用交换室进行，不破坏样品室的真空。而欧美系电镜普遍采用抽屉式大开门的样品室设计。两种设计各有利弊，抽屉式设计一般样品室较大，可以放置更大更多的样品，效率高。或者对于有些特殊的原位观察要求，大开门设计才可能放进各种体积较大的功能样品台，如加热台、拉伸台；交换室相对来说更有利于保护样品室的洁净度，减少污染。不过大开门式设计也可以加装交换室，如图3-46，达到相同的效果，自由度更高。图3-46 大开门试样品室加装手动（左）和自动（右）交换室而且一些采用了低真空（LV-SEM）和环境扫描（ESEM）技术的扫描电镜的样品室真空可分别达到几百帕和接近三千帕。具备低真空技术的电镜相对来说真空系统更为复杂，一般也都会具备高低真空两个模式。在低真空模式下一般需要在极靴下插入压差光阑，以保证样品室处于低真空而镜筒处于高真空的状态下。不过加入了压差光阑后，会使得电镜的视场范围大幅度减小，这对看清样品全貌以及寻找样品起到了负面作用。样品室越大，电镜的接口数量也越多，电镜的可扩展性越强，不过抽放真空的时间会相对延长。TESCAN电镜的样品室都是采用一体化切割而成，没有任何焊缝，稳定性更好；而一般相对低廉的工艺则是采用模具铸造。电镜的样品台一般有机械式和压电式两种，一般有X、Y、Z三个方向的平移、绕Z的旋转R和倾斜t五个维度。当然不同型号的电镜由于定位或者其它原因，五个轴的行程范围有很大区别。一般来说机械马达的样品台稳定性好、承重能力强、但是精度和重复性相对较低；压电陶瓷样品台的精度和重复性都很好，但是承重能力比较弱。样品台一般又有真中央样品台和优中心样品台之分。样品台在进行倾转时都有一个倾转中心，样品台绕该中心进行倾转。如果样品观察的位置恰好处于倾转中心，那么倾转之后电镜的视场不变；但如果样品不在倾转中心，倾转后视场将会发生较大变化。特别是在做FIB切割或者EBSD时，样品需要经过五十几度和七十度左右的大角度倾转，电镜视场变化太大，往往会找不到原来的观察区域。在大角度倾转的情况下如果进行移动的话，此时样品会在高度方向上也发生移动，不注意容易碰撞到极靴或者其它探测器造成故障，这对操作者来说是危险之举。而优中心样品台则不一样，只要将电子束合焦好，电镜会准确的知道观察区域离极靴的距离，在倾转后观察区域偏离后，样品台能自动进行Y方向的平移进行补偿，保持观察的视野不变，如图3-47。图3-47 真中央样品台与优中心样品台【福利时间】每期文章末尾小编都会留1个题目，大家可以在留言区回答问题，小编会在答对的朋友中选出点赞数最高的两位送出本书的印刷版。【本期问题】半导体材质的探测器和YAG晶体材质的探测器哪个更有利于在低加速电压下成像，为什么？（快关注微信回答问题领取奖品吧→）简介《扫描电子显微镜及微区分析技术》是由业内资深的技术专家李威老师（原上海交通大学扫描电镜专家，现任TESCAN技术专家）、焦汇胜博士（英国伯明翰大学材料科学博士，现任TESCAN技术专家）、李香庭教授（电子探针领域专家，兼任全国微束分析标委会委员、上海电镜学会理事）编著，并于2015年由东北师范大学出版社出版发行。本书编者都是非常资深的电镜工作者，在科研领域工作多年，李香庭教授在电子探针领域有几十年的工作经验，对扫描电子显微镜、能谱和波谱分析都有很深

锑化物超晶格红外探测器具有均匀性好、暗电流低和量子效率较高等优点，其探测波长灵活可调，可以覆盖短波至甚长波整个红外谱段，是实现高均匀大面阵、长波、甚长波及双色红外探测器的优选技术，得到了国内外相关研究机构的关注和重视，近年来取得了突破性的进展。中国科学院上海技术物理研究所科研团队介绍了InAs/GaSb超晶格红外探测器的技术特点和发展历程，并对后续发展趋势作了初步的展望和探讨。相关研究内容以“锑化物超晶格红外探测器研究进展与发展趋势”为题发表在《红外与激光工程》期刊上。InAs/GaSb超晶格红外探测器的技术原理和特点超晶格是由两种晶格匹配良好的半导体材料交替重复生长而形成的周期性结构，每一层的厚度通常在纳米尺度。根据组成材料相互间能带排列特点，超晶格一般分为I类超晶格和II类超晶格。在III-V族化合物半导体中，InAs、GaSb、AlSb之间可组成不同类别的能带排列，GaSb/AlSb组成I类能带排列，InAs/GaSb、InAs/AlSb组成II类能带排列。特别的，InAs导带底能量比GaSb价带顶能量低约150 meV，当InAs和GaSb结合时，两者形成“破隙型”II类能带排列，电子被限制在InAs层中，而空穴被限制在GaSb层中。当两者组成超晶格时，相邻InAs和GaSb层中电子和空穴会由于相互作用分别形成电子微带和空穴微带，如图1所示。图1 InAs/GaSb超晶格能带简图电子微带与空穴微带的能量差即为超晶格的有效禁带宽度，随着InAs层和GaSb层厚度的改变而改变。对InAs/GaSb II类超晶格的能带结构进行计算和模拟，可以获得超晶格材料光电特性等信息。图2是InAs/GaSb超晶格的截止波长随InAs厚度变化关系，通过改变InAs层的厚度，可以调节超晶格的截止波长，实现短波红外、中波红外和长波红外等不同谱段的红外探测。图2 InAs/GaSb II类超晶格截止波长随InAs厚度变化关系（GaSb厚度为2.1 nm）总体来说，InAs/GaSb超晶格红外探测技术具有如下特点：1）改变周期厚度可以调节InAs/GaSb超晶格的禁带宽带（响应截止波长），因此，可以通过结构设计来灵活调节超晶格探测器的光电响应特性，响应波段可以覆盖短波至甚长波的整个红外谱段，并实现多色探测。2）InAs/GaSb超晶格结构可以吸收垂直入射光。理论计算表明，InAs/GaSb超晶格可达到与HgCdTe材料相当的吸收系数，因此具有较高的量子效率。3）在InAs/GaSb超晶格结构中，由于轻、重空穴带的分离，抑制了Auger复合速率。在理论上，InAs/GaSb超晶格比HgCdTe具有更高的探测率。4）相比HgCdTe材料，InAs/GaSb超晶格有更大的有效质量，有助于抑制长波探测器的隧穿暗电流。5）现代材料生长技术，如分子束外延技术，可以在单原子层精度上控制材料的生长，十分有利于材料性能的可控性、稳定性和可重复性。6）InAs/GaSb超晶格是III-V族化合物半导体材料，材料生长与器件工艺较为成熟，有利于实现大规格、高均匀性焦平面器件。锑化物超晶格焦平面探测器发展历程技术孕育阶段（20世纪80年代—21世纪初）该阶段主要是超晶格红外探测技术概念的提出、超晶格探测器性能的理论计算分析、超晶格材料外延生长和基本光电特性研究，初步证实了超晶格材料具有优良的红外探测性能。超晶格概念是20世纪70年代美国国际商用机器（IBM）公司的江琦、朱兆详等人提出的，指出电子在沿超晶格材料生长方向运动将受到超晶格周期势的影响，形成与自然界材料性能迥异的特性，分子束外延技术的发展又允许人们生长出高质量的超晶格材料。1977年，江琦、朱兆祥等人又提出了锑化物（InAs/GaSb）II类超晶格的概念。技术突破阶段（21世纪初—2010年）该阶段主要聚焦于突破高性能焦平面器件制备的关键技术。采用先进的异质结构抑制超晶格长波探测器的暗电流；研究超晶格材料的刻蚀和侧壁钝化技术，制备出超晶格面阵器件。长波探测是超晶格技术发展的一个重要方向，而降低暗电流是长波红外探测器研究工作的一个重要内容。对于锑化物超晶格探测器，利用其灵活的能带结构调节能力以及分子束外延低维材料生长能力，国外各研究机构设计、制备出了多种宽禁带势垒的探测器结构来抑制暗电流，如pπMn结构、CBIRD结构、nBn结构等。上述不同结构的基本思想是利用宽禁带势垒层与吸收区形成异质结，从而达到抑制产生-复合电流的效果。像元台面刻蚀与侧壁钝化是超晶格焦平面制备研究的一个重要内容。在台面侧壁，由于半导体周期性晶格结构的突然中断，会引起能带在表面的弯曲，从而使得接近表面的半导体层内形成电荷累积，甚至引起表面反型，这会导致在表面形成导电通道。另外，在刻蚀等工艺过程中产生的损伤、沾污或者氧化物等也可能引起表面势能的变化，在带隙内形成载流子陷阱，增加隧穿电流。随着超晶格探测器结构的不断优化，器件制备工艺水平的提升，基于高质量分子束外延超晶格材料，结合前期建立的红外焦平面技术（如读出电路、铟柱混成互联等），相关研究机构相继研制出了320×256、640×512、1024×1024等不同规格的超晶格红外焦平面。双色或多色探测器具备多谱段探测能力，可显著提升识别距离、抗红外干扰与抗伪装能力，是新一代焦平面探测器重点发展方向之一。锑化物超晶格材料能带灵活可调及宽谱响应的特性，使得其成为制备双色、多色探测领域的优选技术。各研究机构先后报道了基于该材料体系的中/中波、中/长波、长/长波双色焦平面探测器。技术发展阶段（2010年—至今）超晶格焦平面制备能力的提升在相关政府机构的支持下，西方技术先进国家突破了超晶格结构设计、材料生长、芯片制备工艺等关键技术，多家研发机构先后获得高性能的超晶格长波大面阵器件和双色焦平面器件。这些成果的取得也使人们充分认识到超晶格技术在红外探测领域的意义和价值。在此基础上，2011年，美国启动了“重要红外传感器技术加速计划（VISTA）”，这是一个由政府主导的，包括JPL、MIT林肯实验室、Sandia国家实验室、海军实验室等研究结构，以及休斯实验室、洛克-马丁公司、L3辛辛那提电子公司等行业领先公司的联合体，技术链涵盖了衬底制备、超晶格材料外延生长、焦平面芯片制备工艺、读出电路设计、超晶格组件集成等。在5年时间内，VISTA计划在高性能长波、中长波双色、超大面阵焦平面、高温工作（HOT）焦平面器件等多方面获得了进一步的发展。图3 （a）超晶格5 μm像元尺寸的SEM照片，（b）超晶格中波红外焦平面在160 K和170 K工作温度下成像示意图，（c）超晶格中长波双色野外成像图超晶格焦平面的工程应用随着制备能力和探测器性能的不断提高，超晶格红外焦平面开始了应用试验。2005年，德国IAF和AIM公司研制的中/中波超晶格双色焦平面探测器应用于欧洲大型运输机Airbus A400 M的多色红外预警系统（MIRAS）。图4 非洲某地区的可见（来源谷歌地图）和CTI红外成像图片（来自美国NASA国际空间站拍摄），Band 1为中波红外图像，Band 2为长波红外图像锑化物超晶格探测器的展望与思考碲镉汞是当前最成功的红外探测材料，其响应波段可以覆盖短波至甚长波的整个红外谱段，具有高的吸收系数和量子效率。由于碲镉汞非常低的肖特基-里德-霍尔（SRH）复合速率，少子寿命长，暗电流低，可以实现高性能红外探测器。碲镉汞的挑战主要来自于材料生长、芯片制备工艺等方面难度大及由此而带来的成品率和制备成本等问题。InAs/GaSb超晶格在谱段覆盖性方面和碲镉汞一样可以在短波至甚长波整个红外谱段内调节。与碲镉汞相比，超晶格红外探测器在量子效率和少子寿命还需要进一步的提升。但另一方面，InAs/GaSb超晶格属于III-V族化合物半导体，其物理化学性质较为稳定，超晶格焦平面在空间均匀性、时间稳定性等方面具有优势，同时，超晶格在材料、芯片的制备技术方面也具备更好的可控性。近年来，InAs/GaSb超晶格红外探测器取得了飞速的发展。在国外，超大规格、高像元密度、高温工作中波焦平面、高性能长波红外焦平面及双色焦平面等已先后获得突破，超晶格探测器也已初步获得航天应用。国内自“十二五”布局开展锑化物超晶格红外探测技术研究，相关研究单位先后在超晶格长波焦平面技术、双色焦平面技术等方面取得突破，初步形成了超晶格材料外延生长、芯片制备等技术能力和平台。后续，超晶格红外探测技术将在进一步提升材料基本性能（量子效率、少子寿命）的基础上，发展大规格和超大规格红外焦平面，高像元密度焦平面，甚长波和双色、多色探测器，高工作温度红外焦平面等。提升超晶格材料基本性能在少子寿命方面，在超晶格中，轻、重空穴带的分离抑制了俄歇复合过程，因此，理论上超晶格的少子寿命可以比碲镉汞更长。但目前InAs/GaSb超晶格的少子寿命一般小于100 ns，与碲镉汞相比有很大的差距，这主要是由于超晶格材料存在较强的SRH复合。InAs/InAsSb超晶格因表现出了更长的载流子寿命而颇受关注，但对于相同的探测波长，InAs/InAsSb超晶格的吸收系数较小；同时，InAs/InAsSb超晶格的空穴迁移率和扩散长度也较小。另一种新型超晶格材料——晶格匹配 InAs/GaAsSb超晶格展现出了优良的光电性能，计算表明，对于相同的探测波长，InAs/GaAsSb超晶格具有与InAs/GaSb超晶格相似的吸收系数。在量子效率方面，由于在超晶格中电子和空穴分别位于InAs和GaSb层中，吸收系数的大小与电子波函数和空穴波函数的交叠积分相关，从而导致器件的量子效率随波长增大而下降。目前中波红外超晶格探测器的量子效率可以实现70%~80%，长波器件的量子效率约30%~40%。提升长波、甚长波超晶格焦平面器件的量子效率是一个重要的研究课题。近年来，采用超表面微纳光子结构提升器件量子效率成为一个有效途径。与探测器集成的微纳光子结构主要包括一维、二维光子晶体、光栅、汇聚透镜、微腔结构等。近年来，美国麻省理工学院、空军实验室、JPL等在该方面开展研究并取得了较好的成果。超晶格红外焦平面发展趋势展望在焦平面器件发展趋势方面，将充分利用超晶格自身技术优势，发展高像元密度大面阵探测器、甚长波探测器、双色和多色探测器、高工作温度探测器及新型雪崩探测器等。在高像元密度大面阵器件发展方面，国际上超晶格外延材料尺寸已经达到6 in（1 in=2.54 cm），正向更大晶圆发展；像元尺寸已缩小至5 μm，最大规格达到6 K×4 K。国内已具备4~6 in超晶格外延材料生长和锑化物半导体探测器芯片制备能力，在小像元尺寸的台面芯片制备方面也具有技术基础。在甚长波红外探测器方面，关键在于降低器件暗电流，红外探测器的暗电流与少子寿命密切相关。因此，提升超晶格材料的少子寿命是一个重要的研究课题。晶格匹配InAs/GaAsSb新型超晶格材料有助于降低材料的深能级缺陷，从而提升少子寿命。降低器件暗电流的另一途径是运用InAs、GaSb、AlSb等材料间多样的能带排列方式，灵活设计出先进的抑制暗电流器件结构。最近，国外报道了14 μm超晶格甚长波焦平面探测器，采用先进势垒设计结构，大大地抑制了器件的暗电流。在实现高温工作超晶格红外探测器的研究方面，主要集中在设计和制备各种具有暗电流抑制功能的异质势垒结构器件。国外研究机构采用nBn等异质势垒结构，很好地将超晶格中波红外探测器的工作温度提升至150 K以上。在国外，高温工作的超晶格中波红外焦平面已经显示出了替代传统InSb器件的趋势。实现双色或多色探测是超晶格发展的一个重要发展方向。超晶格主要采用改变材料周期厚度来调节响应波长，采用分子束外延技术，只要改变InAs、GaSb单层的生长时间（改变层厚）就可以获得不同响应波长的超晶格材料，因此非常容易在一次外延生长过程中集成两个甚至多个响应不同波长的探测器材料结构。近期研究结果也表明，超晶格是实现双色或多色探测的优先技术。在新型探测器方面，锑化物超晶格雪崩探测器（APD）近年来也备受关注。美国伊利诺斯大学研究发现，InAs/GaSb超晶格的空穴/电子碰撞电离系数比可以近似为零，研制的电子雪崩型器件的增益为300时，过剩噪声因子小于1.2。该团队与美国雷神公司合作研制的电子雪崩型超晶格APD，在增益为500时，过剩噪声因子仍旧保持在接近于1的水平，表现出了极低的雪崩噪声特性。结论这项研究简要介绍了锑化物超晶格红外探测技术的技术特点、发展历程及其发展趋势。自InAs/GaSb超晶格红外探测器的设想被提出后，30多年来，通过结构设计优化和制备技术提升，国内外研究结构先后获得了一系列的大面阵、高温工作、长波、多色红外探测器，超晶格红外焦平面也表现出了高均匀性、高稳定性、高制备可控性等优势，并且在红外遥感成像等航空航天领域得到应用。今后，超晶格红外焦平面将向着更高的像素密度、更大的规格、更高的工作温度、甚长波、双色（多色）、雪崩器件等方向发展。

高速响应的中波红外探测器在自由空间光通信和频率梳光谱学等新兴领域的需求逐渐增加。中长波XBₙn势垒型红外光探测器对暗电流等散粒噪声具有抑制作用。近期，由中国科学院半导体研究所、昆明物理研究所、中国科学院大学和陆装驻重庆军代局驻昆明地区第一军代室组成的科研团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“非制冷势垒型InAsSb基高速中波红外探测器”为主题的文章。该文章第一作者为贾春阳，通讯作者为赵俊总工程师和张逸韵研究员。本工作制备了不同直径的nBn和pBn结构的中波InAsSb/AlAsSb红外接地-信号-接地（GSG）探测器。对制备的探测器进行了变温暗电流特性，结电容特性和室温射频响应特性的表征。材料生长、器件制备和测试通过固态源分子束外延装置在2英寸的n型Te-GaSb衬底上外延生长nBn和pBn器件。势垒型器件的生长过程如下所示：先在衬底上生长GaSb缓冲层来平整表面以及减少应力和位错，接着生长重掺杂（10¹⁸ cm⁻³）n型InAsSb接触层，然后生长2.5 μm厚的非故意掺杂（10¹⁵ cm⁻³）InAsSb体材料吸收层。之后生长了150 nm厚的AlAsSb/AlSb数字合金电子势垒层，通过插入超薄的AlSb层实现了吸收区和势垒层的价带偏移的显著减少，有助于空穴向接触电极的传输，同时有效阻止电子以减小暗电流。最后分别生长300 nm厚的重掺杂（10¹⁸ cm⁻³）n型InAsSb和p型GaSb接触层用于形成nBn和pBn器件结构。其中，Si和Be分别被用作n型和p型掺杂源。生长后，通过原子力显微镜（D3100，Veeco，USA）和高分辨X射线衍射仪（Bede D1，United Kingdom）对晶片进行表征以确保获得高质量的材料质量。通过激光划片将2英寸的外延片划裂为1×1 cm²的样片。样片经过标准工艺处理，包括台面定义、钝化和金属蒸镀工艺，制成直径从10 μm到100 μm的圆形台面单管探测器。台面定义工艺包括通过电感耦合等离子体（ICP）和柠檬酸基混合溶液进行的干法刻蚀和湿法腐蚀工艺，以去除器件侧壁上的离子诱导损伤和表面态。器件的金属电极需要与射频探针进行耦合来测试器件的射频响应特性，因此包括三个电极分别为Ground（接地）、Signal（信号）和Ground，其中两个Ground电极相连，与下接触层形成欧姆接触，Signal电极与上接触层形成欧姆接触，如图1（c）和（f）所示。通过低温探针台和半导体参数分析仪（Keithley 4200，America）测试器件77 K-300 K范围的电学特性。器件的光学响应特性在之前的工作中介绍过，在300 K下光电探测器截止波长约为4.8 μm，与InAsSb吸收层的带隙一致。在300 K和反向偏置为450 mV时，饱和量子效率在55%-60%。通过探针台和频率响应范围10 MHz-67 GHz的矢量网络分析仪（Keysight PNA-XN5247B，America）对器件进行射频响应特性测试。结果与讨论材料质量表征图1（a）和（d）的X射线衍射谱结果显示，从左到右的谱线峰分别对应于InAsSb吸收层和GaSb缓冲层/衬底。其中，nBn和pBn外延片的InAsSb吸收区的峰值分别出现在60.69度和60.67度，GaSb衬底的峰值则出现在60.72度。因此，InAsSb吸收层与GaSb 衬底的晶格失配分别为-108 acsec和-180 acsec，符合预期，表明nBn和pBn器件的InAsSb吸收区和GaSb衬底几乎是晶格匹配的生长条件。因此，nBn和pBn外延片都具有良好的材料质量。原子力显微镜扫描的结果在图1的（b）和（e）中，显示出生长后的nBn和pBn外延片具有良好的表面形貌。在一个5×5 μm²的区域内，nBn和pBn外延片的均方根粗糙度分别为1.7 Å和2.1 Å。图1 （a）和（a）分别为nBn和pBn外延片的X射线衍射谱；（b）和（e）分别为nBn和pBn外延片的原子力显微扫描图；（c）和（f）分别为制备的圆形GSG探测器的光学照片和扫描电子照片器件的变温暗电流特性图2（a）显示了器件直径90 μm的nBn和pBn探测器单管芯片的温度依赖暗电流密度-电压曲线，通过在连接到Keithley 4200半导体参数分析仪的低温探针台上进行测量。图2（b）显示了件直径90 μm的nBn和pBn探测器在77 K-300 K下的微分电阻和器件面积的乘积R₀A随反向偏压的变化曲线，温度下降的梯度（STEP）为25 K。图2（c）显示了在400 mV反向偏压下，nBn和pBn探测器表现出的从77 K到300 K的R₀A与温度倒数（1000/T）之间的关系，温度变化的梯度（STEP）为25 K。图2 从77K到300K温度下直径90 μm的nBn和pBn探测器单管芯片（a）暗电流密度-电压曲线；（b）微分电阻和器件面积的乘积R₀A随反向偏压的变化曲线；（c）R₀A随温度倒数变化曲线器件暗电流的尺寸效应由于势垒型红外探测器对于体内暗电流可以起到较好的抑制作用，因此研究人员关注与台面周长和面积有关的表面泄露暗电流，进一步抑制表面漏电流可以进一步提高探测器的工作性能。图3（a）显示了从20 μm到100 μm直径的nBn和pBn器件于室温工作的暗电流密度和电压关系，尺寸变化的梯度（STEP）为10 μm。图3（b）显示从20 μm-100 μm的nBn和pBn探测器的微分电阻和台面面积的乘积R₀A随反向偏压的变化曲线。图3（d）中pBn器件的相对平缓的拟合曲线说明了具有较高的侧壁电阻率，根据斜率的倒数计算出约为1.7×10⁴ Ωcm。图3 从20 μm到100 μm直径的nBn和pBn器件于室温下的（a）暗电流密度和电压变化曲线和（b）R₀A随反向偏压的变化曲线；（c）在400 mV反偏时，pBn和nBn器件R₀A随台面直径的变化；（d）（R₀A）⁻¹与周长对面积（P/A）变化曲线器件的结电容图4（a）显示了使用Keithley 4200 CV模块在室温下不同直径的nBn和pBn探测器的结电容随反向偏压的变化曲线，器件直径从20 μm到100 μm按照10 μm梯度（STEP）变化。对于势垒层完全耗尽的pBn探测器，预期器件电容将由AlAsSb/AlSb势垒层电容和InAsSb吸收区耗尽层电容的串联组合给出，其中包括势垒层和上接触层侧的InAsSb耗尽区。图4 （a）在室温下不同直径的nBn和pBn探测器的结电容随反向偏压的变化曲线；（b）反偏400 mV下结电容与台面直径的变化曲线。器件的射频响应特性通过Keysight PNA-X N5247B矢量网络分析仪、探针台和飞秒激光光源，在室温和0-3 V反向偏压下，对不同尺寸的nBn和pBn探测器在10 MHz至67 GHz之间进行了射频响应特性测试。根据图5推算出在3V反向偏压下的40 μm、50 μm、70 μm、80 μm、90 μm、100 μm直径的圆形nBn和pBn红外探测器的3 dB截止频率（f3dB）。势垒型探测器内部载流子输运过程类似光电导探测器，表面载流子寿命对响应速度会产生影响。图5 在300 K下施加-3V偏压的40 μm、50 μm、70 μm、80 μm、90 μm、100 μm直径的nBn和pBn探测器的归一化频率响应图图6 不同尺寸的nBn和pBn探测器（a）3 dB截止频率随反向偏压变化曲线；（b）在3 V反向偏压下的3 dB截止频率随台面直径变化曲线图6（a）展示了对不同尺寸的nBn和pBn探测器，在0-3 V反向偏压范围内的3 dB截止频率的结果。随着反向偏压的增大，不同尺寸的器件的3 dB带宽也随之增大。因此，在图6（a）中观察到在低反向偏压下nBn和pBn器件的响应较慢，nBn探测器的截止频率落在60 MHz-320 MHz之间而pBn探测器的截止频率落在70 MHz-750 MHz之间；随着施加偏压的增加，截止频率增加，nBn和pBn器件最高可以达到反向偏压3V下的2.02 GHz和2.62 GHz。pBn器件的响应速度相较于nBn器件提升了约29.7%。结论通过分子束外延法在锑化镓衬底上生长了两种势垒型结构nBn和pBn的InAsSb/AlAsSb/AlSb基中波红外光探测器，经过台面定义、工艺钝化工艺和金属蒸镀工艺制备了可用于射频响应特性测试的GSG探测器。XRD和AFM的结果表示两种结构的外延片都具有较好的晶体质量。探测器的暗电流测试结果表明，在室温和反向偏压400 mV工作时，直径90 μm的pBn器件相较于nBn器件表现出更低的暗电流密度0.145 A/cm²，说明了该器件在室温非制冷环境下表现出低噪声。不同台面直径的探测器的暗电流测试表明，pBn器件的表面电阻率约为1.7×10⁴ Ωcm，对照的nBn器件的表面电阻率为3.1×10³ Ωcm，而pBn和nBn的R₀A体积项的贡献分别为16.60 Ωcm²和5.27 Ωcm²。探测器的电容测试结果表明，可零偏压工作的pBn探测器具有完全耗尽的势垒层和部分耗尽的吸收区，nBn的吸收区也存在部分耗尽。探测器的射频响应特性表明，直径90 μm的pBn器件的响应速度在室温和3 V反向偏压下可达2.62 GHz，对照的nBn器件的响应速度仅为2.02 GHz，相比提升了约29.7%。初步实现了在中红外波段下可快速探测的室温非制冷势垒型光探测器，对室温中波高速红外探测器及光通讯模块提供技术路线参考。论文链接：http://journal.sitp.ac.cn/hwyhmb/hwyhmbcn/article/abstract/2023157

日盲紫外光电探测器在民生(如电网安全监测、环境与生化检测、森林火灾告警、医学成像等)领域有重要应用，是世界各国竞相研发的焦点。氧化镓具有宽带隙(可至4.9 eV)、地壳丰度较高(中国镓储量全球第一)、物理化学性能稳定等优势，是理想的日盲(截止波长～280 nm，对应光子能量～4.42 eV)探测有源层材料。目前，氧化镓日盲紫外探测器已取得一些重要进展，但工艺温度普遍较高。相比外延或多晶薄膜材料，非晶半导体薄膜可低温、大面积均匀制备。为实现大面积柔性应用，氧化镓低温制备技术的研发势在必行。然而，非晶薄膜难以致密化，其微结构和化学计量比难以有效调控，导致氧化镓有源层内载流子浓度和氧空位等缺陷难以调控，同时器件的光响应度和响应时间也难以协同提高。 　　中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究团队近年来一直致力于氧化镓薄膜及其日盲紫外探测器的制备及其物性的调控研究。前期，团队通过溶液法制备了具有较高紫外-可见抑制比的氧化镓基探测器，其功耗可至pW量级【Applied Physics Letters 116, 19 (2020)】。 　　近期，团队通过施加磁控溅射衬底偏压辅助制备工艺，有效调控了非晶氧化镓(a-GaOx)薄膜的表面粗糙度、相对质量密度、折射率、带隙和成分配比(镓氧比)。在近室温下制备的a-GaOx薄膜具有较少的各类缺陷态，大幅提高了薄膜的致密度和载流子迁移率，相应日盲紫外探测器的光响应度提高了460倍，并具有良好的光谱选择性【Ceramics International 47, 22 (2021)】。 　　团队开发了金属诱导低温退火工艺，使得氧化镓的结晶温度降低200℃；提出了籽晶层和非平衡态联合作用下的低温诱导结晶机制，诱导后薄膜的致密度得到大幅提高，带尾态、氧空位等缺陷态显著降低，相应光电薄膜晶体管探测器具有优异的光谱选择性【The Journal of Physical Chemistry Letters 13, 31 (2022)】。 　　相关研究工作得到中科院国际伙伴计划、浙江省自然科学基金重大项目和宁波市重大攻关项目等的支持。低温结晶机理及探测器光电性能的测试

短波红外和中波红外波段是两个重要的大气窗口。在该波段范围内，碲化汞胶体量子点表现出良好的光响应。此外，胶体量子点具有易于液相加工制备以及与硅基工艺兼容等优势，因此有望显著降低红外光电探测器的成本。然而，目前胶体量子点红外光电探测器在比探测率、响应度等核心性能方面与传统块体半导体红外探测器相比仍存在一定差距。有效地调控掺杂和迁移率等输运性质是提升量子点红外光电探测器性能的关键。据麦姆斯咨询报道，近期，北京理工大学光电学院和北京理工大学长三角研究院的科研团队在《光学学报》期刊上发表了以“高载流子迁移率胶体量子点红外探测器”为主题的文章。该文章第一作者为薛晓梦，通讯作者为陈梦璐和郝群。在本项工作中，采用混相配体交换的方法将载流子迁移率提升，并且实现了N型、本征型、P型等多种掺杂类型的调控。在此基础之上，进一步研究了输运性质对探测器性能的影响。与光导型探测器相比，光伏型探测器不需要额外施加偏置电压，没有散粒噪声，拥有更高的理论灵敏度，因此是本项工作的研究重点。同时，使用高载流子迁移率的本征型碲化汞量子点薄膜制备了短波及中波红外光伏型光电探测器。实验过程材料的合成：Te前驱体的制备在氮气环境下，称量1.276 g（1 mmol）碲颗粒置于玻璃瓶中，并加入10 ml的三正辛基膦（TOP）中，均匀搅拌至溶解，得到透明浅黄色的溶液，即为TOP Te溶液。碲化汞胶体量子点的合成在氮气环境下，称量0.1088 g（0.4 mmol，氮气环境下储存）氯化汞粉末置于玻璃瓶中，并加入16 ml油胺（OAM），均匀搅拌并加热至氯化汞粉末全部溶解。本工作中合成短波红外和中波红外碲化汞胶体量子点的反应温度分别为65℃和95℃。使用移液枪取0.4 mL的TOP Te溶液，快速注入到溶于油胺的氯化汞溶液中，反应时间分别为4 min和6 min。反应结束后加入20 ml无水四氯乙烯（TCE）作为淬火溶液。碲化银纳米晶体颗粒的合成在氮气环境下，称量0.068 g（0.4 mmol）硝酸，并加入1 mL油酸（OA）和10 mL油胺（OAM）中，均匀搅拌30 min。溶解后，注入1 mL TOP，快速加热至160℃并持续30-45 min。然后向反应溶液中注入0.2 mL TOP Te（0.2 mmol），反应时间为10 min。碲化汞胶体量子点的混相配体交换混相配体交换过程包括液相配体交换和固相配体交换。选择溴化双十二烷基二甲基铵（DDAB）作为催化剂，将碲化汞胶体量子点溶在正己烷中，取4 ml混合溶液与160 μL β-巯基乙醇（β-ME）和8 mg DDAB在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中混合。之后向溶液中加入异丙醇（IPA）进行离心，倒掉上清液，将沉淀物重新溶解在60μL DMF中。固相配体交换是在制备量子点薄膜后，用1,2-乙二硫醇（EDT）、盐酸（HCL）和IPA（体积比为1:1:20）溶液对已成膜的碲化汞胶体量子点表面进行处理。碲化汞胶体量子点的掺杂调控在调控碲化汞胶体量子点的掺杂方面，Hg²⁺可以通过表面偶极子稳定量子点中的电子，所以选择汞盐（HgCl₂）来调控量子点的掺杂状态。在液相配体交换结束后，向溶于DMF的碲化汞胶体量子点溶液中加入10 mg HgCl₂得到本征型碲化汞胶体量子点，加入20 mg HgCl₂得到N型碲化汞胶体量子点。材料表征采用混相配体交换的方法不仅可以提高载流子迁移率还可以通过表面偶极子调控碲化汞胶体量子点的掺杂密度。液相配体交换前后中波红外碲化汞胶体量子点的TEM图像如图1（a）所示，可以看到，进行液相配体交换后的碲化汞胶体量子点之间的间距明显减小，排列更加紧密。致密的排列可以提高碲化汞胶体量子点对光的吸收率。混相配体交换后的短波红外和中波红外碲化汞胶体量子点的吸收光谱如图1（b）所示，从图1（b）可以看出，短波红外和中波红外碲化汞胶体量子点的吸收峰分别为5250 cm⁻¹和2700 cm⁻¹。利用场效应晶体管（FET）对碲化汞胶体量子点的迁移率和薄膜的掺杂状态进行测量，把碲化汞胶体量子点沉积在表面有一层薄的SiO₂作为绝缘层的Si基底上，基底两侧的金电极分别作为漏极和源极，Si作为栅极，器件结构如图1（c）所示。通过控制栅极的极性和电压大小，可以使场效应晶体管分别处于截止或导通状态。图1（d）是N型、本征型和P型中波红外碲化汞胶体量子点的场效应晶体管转移曲线。利用FET传输曲线的斜率计算了载流子的迁移率μFET。图1 （a）混相配体交换前后碲化汞胶体量子点的透射电镜图；（b）短波红外和中波红外碲化汞胶体量子点的吸收光谱；（c）碲化汞胶体量子点薄膜场效应晶体管测量原理图；（d）在300K时N型、本征型和P型中波红外碲化汞胶体量子点的场效应晶体管转移曲线测试结果。分析与讨论碲化汞胶体量子点光电探测器的制备光伏型探测器不需要施加额外的偏置电压，没有散粒噪声，理论上会具有更好的性能，借鉴之前文献中的报告，器件结构设计为Al₂O₃/ITO/HgTe/Ag₂Te/Au，制备方法如下：第一步，在蓝宝石基底上磁控溅射沉积50 nm ITO，ITO的功函数在4.5~4.7 eV之间。第二步，制备约470 nm的本征型碲化汞胶体量子点薄膜。第三步，取50 μL碲化银纳米晶体溶液以3000 r/min转速旋转30 s，然后用HgCl₂/MEOH（10 mmol/L）溶液静置10 s后以3000 r/min转速旋转30 s，重复上述步骤两次。在这里，Ag⁺作为P型掺杂层，与本征型碲化汞胶体量子点层形成P-I异质结。最后，将器件移至蒸发镀膜机中，在真空环境（5×10⁻⁴ Pa）下蒸镀50 nm Au作为顶层的电极。高迁移率光伏型探测器的结构图和横截面扫描电镜图如图2（a）所示。能级图如图2（b）所示。制备好的探测器的面积为0.2 mm × 0.2 mm。图2 （a）高迁移率碲化汞胶体量子点P-I异质结结构示意图及扫描电镜截面图 （b）碲化汞胶体量子点P-I异质结能带图。器件性能表征为了探究高载流子迁移率短波红外和中波红外光伏型探测器的光电特性，我们测试了器件的I-V曲线以及响应光谱。图3（a）和（b）分别是高迁移率短波红外和中波红外器件的I-V特性曲线，可以看到短波红外和中波红外探测器的开路电压分别为140 mV和80 mV，这表明PI结中形成了较强的内建电场。此外，在零偏置下，高迁移率短波红外和中波红外器件的光电流分别为0.27 μA和5.5 μA。图3（d）和（e）分别为1.9 μm（300 K） ~ 2.03 μm（80 K）的短波红外器件的响应光谱和3.5 μm（300 K） ~ 4.2 μm（80 K）的中波红外器件的响应光谱。比探测率D*和响应度R是表征光电探测器性能的重要参数。R是探测器的响应度，用来描述器件光电转换能力的物理量，即输出信号光电流与输入光信号功率之比。图3 （a）300 K时短波红外I-V曲线；（b）80 K时中波红外I-V曲线；（c）短波红外及中波红外器件的比探测率随温度的变化；（d）短波红外器件在80 K和300 K时的光谱响应；（e）中波红外器件在80 K和300 K时的光谱响应；（f）短波红外和中波红外器件的响应度随温度的变化。图3（e）和（f）给出了探测器的比探测率D*和响应度R随温度的变化。可以看到，短波红外器件在所有被测温度下，D*都可以达到1×10¹¹ Jones以上，中波红外器件在110 K下的D*达到了1.2×10¹¹ Jones。应用此外，本工作验证高载流子迁移率的短波红外和中波红外量子点光电探测器在实际应用，如光谱仪和红外相机。光谱仪实验装置示意图如图4（a）所示，其内部主要是一个迈克尔逊干涉仪。图4（b）和（c）为使用短波红外和中波红外量子点器件探测时有样品和没有样品的光谱响应结果。图4（e）和图4（f）为样品在短波红外和中波红外波段的透过率曲线。对于短波红外波段，选择了CBZ、DDT、BA和TCE这四种样品，它们在可见光下都是透明的，肉眼无法进行区分，但在短波红外的光谱响应和透过率不同。对于中波红外波段，选择了PP和PVC这两个样品。在可见光下它们都是白色的塑料，但在中波红外光谱响应和透过率不同。图4（d）为自制短波红外和中波红外单点相机的扫描成像。，短波相机成像可以给出材质信息。中波红外相机成像则是反应热信息。以烙铁的中波红外成像为例，我们可以清楚地了解烙铁内部的温度分布。在可见光下，硅片呈现不透明的状态使用自制的短波红外相机成像后硅片呈现半透明的状态。图4 （a）利用高载流子迁移率探测器进行响应光谱测量的原理示意图；（b）和（c）分别是在有样品和没有样品两种模式下用自制探测器所探测到的光谱响应；（d）自制短波红外和中波红外光电探测器的单像素扫描成像结果图；（e）TCE、BA、DDT和CBZ在短波红外模式下的透光率，插图为四种样品的可见光图像；（f）PVC和PP在中波红外模式下的透光率，插图为两种样品的可见光图像。结论综上所述，采用混相配体交换的方法，将量子点薄膜中的载流子迁移率提升到了1 cm²/Vs，相较于之前的研究提升了2个量级。并且通过加入汞盐实现了对量子点薄膜的掺杂调控，分别实现了P型、本征型以及N型多种类型的量子点薄膜。同时，基于本征型高迁移率量子点制备了短波红外和中波红外波段的光伏型光电探测器。测试结果表明，提升量子点的输运性质，有效的提升了探测器的响应率、比探测率等核心性能，并且实现了光谱仪和红外相机等应用。本项工作促进了低成本、高性能量子点红外光电探测器的发展。这项研究获得国家自然科学基金（NSFC No.U22A2081、No.62105022）、中国科学技术协会青年托举工程（No.YESS20210142）和北京市科技新星计划（No.Z211100002121069）的资助和支持。论文链接：https://link.cnki.net/urlid/31. 1 252.o4.20230925.0923.016

中国科学院深圳先进技术研究院先进材料科学与工程研究所材料界面研究中心副研究员李佳团队，中科院院士、西北工业大学教授黄维团队，以及深圳先进院生物医学与健康工程研究所生物医学成像研究中心合作，首次将具有内部信号增益效应的异质结光电晶体管用于X射线直接探测器，实现了超灵敏、超低辐射剂量、超高成像分辨的X射线直接探测。相关研究成果以Ultrathin and Ultrasensitive Direct X-ray Detector Based on Heterojunction Phototransistors为题，发表在Advanced Materials上。当前，X射线直接探测器多采用反向偏置二极管结构（图1a）。这类器件普遍缺乏内部信号增益效应或增益较低，这意味着没有足够的信号补偿方案来补充载流子复合过程中湮灭的电子-空穴对。因此，这类设备的光-电转化效率较低，且需要使用高质量和高度均匀的X射线光电导材料（Photoconductor）以保证有效的电子-空穴的产生和传输，这对探测器性能的进一步提升设定了难以突破的上限，也增加了材料、器件制备的复杂性和成本。科研团队在前期研究的基础上（Advanced Materials, 31,1900763,2019），提出异质结X射线光电晶体管（Heterojunction X-ray Phototransistor）这一新型器件概念，首次将具有内部信号增益效应的异质结光电晶体管引入X射线直接探测。光电晶体管是三电极型光电探测器，其沟道载流子密度可通过调控栅压和入射光子进行有效调制，从而结合了晶体管和光电导的综合增益效应，如图1b所示。将这种高增益机制引入X射线探测器可以对光生电流进行放大，并使外量子效率远超过100%，进而实现超灵敏的X射线直接探测。本工作中，研究团队设计了由钙钛矿光电导材料与有机半导体沟道材料组成的异质结光电晶体管，实现了高效的X射线吸收，获得了快速的载流子再注入与循环，导致高效的载流子产生、输运与巨大的信号增益效应，使X射线直接探测灵敏度达到109μCGyair-1cm-2（图2c），最低可检测剂量率低至1 nGyair s-1。同时，探测器具有较高的成像分辨率（图2e）——X射线成像调制传递函数（MTF）在20%值下显示每毫米11.2线对（lp mm-1），成像分辨率高于目前基于CsI:Tl的X射线探测器。高增益异质结X射线光电晶体管为高性能X射线直接探测与成像开辟了新机遇，并体现出超灵敏、超低检测限、高成像分辨率、轻量、柔性（图2d）、低成本等优点，在医学影像、工业检测、安检安防、科学设备等领域具有广阔的应用前景。该成果将激发科研人员开发各种高增益器件以实现直接探测不同类型高能辐射的研究动力。研究工作得到国家自然科学基金、深圳市科技计划等的资助。

近日，合肥工业大学微电子学院先进半导体器件与光电集成实验室的王莉副教授和罗林保教授，成功研发出一种基于单p-型硅肖特基结的超灵敏近红外窄带光电探测器。相关成果以“Ultra-Sensitive Narrow-Band P-Si Schottky Photodetector with Good Wavelength Selectivity and Low Driving Voltage”为题于2023年12月31日作为封面文章在线发表在半导体器件领域的著名杂志IEEE Electron Device Letters上。图1. IEEE Electron Device Letters 2024年第一期封面窄带光电探测器由于仅对目标波长敏感，可以有效抑制背景噪声光的干扰，因此在机器视觉、特定波段成像、光学通信和生物材料识别等领域均具有重要的应用价值。但现有的加装滤波片、电荷收集变窄或热电子效应等窄带探测机制普遍存在着量子效率低的问题。为了提高窄带探测的灵敏度，研究人员通过将电荷陷阱引入有源层进行界面隧穿注入，或者利用场增强激子电离过程来实现器件内的光电倍增效应。但这些机制往往需要几十伏较高的电压才能激发启动，导致窄带探测器的性能易退化和工作能耗高。该研究团队在深入分析了上述问题的基础上，提出并实现了一种可在低驱动电压下工作的高灵敏窄带光电探测器。通过采用双层结构肖特基电极以及增大光生电子和空穴之间的渡越时间差，在保证高波长选择性的前提下实现了器件光电转化效率的大幅提高。该探测器仅在1050nm附近有探测峰，对紫外及可见光几乎无响应。在零偏压下器件的比探测率达∼4.14×1012Jones，线性动态范围约为128 dB。当工作偏压由0 V增加到- 3 V时，器件外部量子效率可以从96.2 %显著提升到6939%，同时探测峰半高宽保持在约74 nm不变。这一成果为实现可在低驱动电压下工作的超高灵敏窄带光电探测器提供了新思路，有望在光电子领域得到广泛应用。图2. （a）器件内光强分布模拟结果，零偏压下（b）器件在不同波长光照下的电流-电压曲线，（c）线性动态范围，（d）不同偏压下器件的外部量子效率随波长变化曲线。上述工作得到国家自然科学基金、安徽省重点研发计划、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项等项目的资助。论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/ d ocument/10312826