长波红外探测器

[color=#000000]近日，大连化物所催化基础国家重点实验室热电材料与器件研究组（525组）姜鹏研究员、陆晓伟副研究员、包信和院士团队开发了柔性、可穿戴长波红外光热电探测器，并将其用于电子皮肤非接触温度感知。[/color][color=#000000]仿生触觉是智能机器人感知外部环境刺激的基础。在传统触觉系统中，触觉传感器需要与外部环境物理接触进而获取温度信息，无法在接触前对外部刺激作出预判。因此，发展具有非接触温度感知能力的先进触觉传感技术，将有助于为机器人交互感知领域带来全新的体验。[/color][align=center][img]https://img1.17img.cn/17img/images/202404/uepic/d9f98d30-33d3-4a5f-ae64-7284b6ef766d.jpg[/img][/align][color=#000000]光热电探测器是基于光热、热电两个能量转换过程，可在无需制冷、无需偏置电压、无接触的条件下实现对长波红外辐射（8至14μm）的灵敏探测。本工作中，研究团队在前期光热电探测器工作（[/color][url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202204355][i][b]Adv. [/b][/i][/url][url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202204355][i][b]M [/b][/i][/url][url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202204355][i][b][color=#0070c0]ater. [/color][color=#0070c0][/color][/b][/i][/url][color=#000000]，2022；[/color][url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201902044][i][b]Adv. Mater [/b][/i][/url][color=#0070c0][i][b].[/b][/i][/color][color=#000000]，2019；[/color][url=https://www.nature.com/articles/s41467-018-07860-0][i][b]Nat. Commun. [/b][/i][/url][color=#000000]，2019）的基础上，在具有长波红外吸收能力的柔性聚酰亚胺（PI）衬底上构建了Te/CuTe热电异质结，制备出高灵敏度、柔性、可穿戴长波红外光热电探测器。Te/CuTe热电异质结一方面可以提升复合薄膜的热电功率因子，起到降低器件噪音的作用；另一方面可以通过降低其光学反射损耗，并将其光学反射极小值与PI吸收峰对齐，增强光热电耦合，提升器件灵敏度。[/color][color=#000000]在非接触式温度感知测试中，当目标温度从零下50°C上升至110°C，所制备的柔性光热电探测器灵敏度均优于商业刚性热电堆，温度分辨能力可达0.05°C。以此为基础，研究团队利用该红外探测器在接近辐射源过程中响应电压的斜率变化，开发了动态温度预警系统，使得软体机械手可对热源进行预先判定。该工作为在仿生触觉系统中引入红外探测技术提供了可行的解决方案，在机器人交互感知、虚拟现实等领域具有重要的应用前景。[/color][color=#000000]相关研究成果以“[b]Touchless thermosensation enabled by flexible photothermoelectric detector for temperature prewarning function of electronic skin ”[/b]为题，发表在[b]《先进材料》[/b][i]（Advanced Materials）[/i]上。上述工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、辽宁省自然科学基金、大连化物所创新基金等项目的资助。（文/图 郭晓晗、陆晓伟）[/color][color=#000000]文章链接：[/color][url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202313911][b]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202313911[/b][/url][来源： 中国科学院大连化物所][align=right][/align]

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XB?n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。[align=center][size=18px][back=#ffff00][b]材料生长、器件制备和测试[/b][/back][/size][/align]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（101? cm?3）n型InAsSb接触层，然后生长2.5 μm厚的非故意掺杂（101? 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（101? 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。[align=center][size=18px][back=#ffff00][b]结果与讨论[/b][/back][/size][/align][b]材料质量表征[/b]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 ?和2.1 ?。[align=center][img]https://img1.17img.cn/17img/images/202401/uepic/92230b98-4dac-4ee0-aeaa-282dcd342995.jpg[/img][/align][align=center][color=#0070c0]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[/color][/align][b]器件的变温暗电流特性[/b]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R?A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R?A与温度倒数（1000/T）之间的关系，温度变化的梯度（STEP）为25 K。[align=center][img]https://img1.17img.cn/17img/images/202401/uepic/a8f8001f-cd03-42f4-a32f-8b1acc94131d.jpg[/img][/align][align=center][color=#0070c0]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R?A随反向偏压的变化曲线；（c）R?A随温度倒数变化曲线[/color][/align][b]器件暗电流的尺寸效应[/b]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R?A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1.7×10? Ωcm。[align=center][img]https://img1.17img.cn/17img/images/202401/uepic/e7fba8aa-eabe-40a4-a863-6ebcdd264744.jpg[/img][/align][align=center][color=#0070c0]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）R?A随反向偏压的变化曲线；（c）在400 mV反偏时，pBn和nBn器件R?A随台面直径的变化；（d）（R?A）?1与周长对面积（P/A）变化曲线[/color][/align][b]器件的结电容[/b]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。[align=center][img]https://img1.17img.cn/17img/images/202401/uepic/c09b63df-6442-42f2-b548-df4f539db6eb.jpg[/img][/align][align=center][color=#0070c0]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。[/color][/align][b]器件的射频响应特性[/b]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。[align=center][img]https://img1.17img.cn/17img/images/202401/uepic/95acbbf7-8557-4619-b4cd-5829d636aced.jpg[/img][/align][align=center][color=#0070c0]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[/color][/align][align=center][img]https://img1.17img.cn/17img/images/202401/uepic/541829b0-a336-4b7e-a75b-0a15f8dfd06a.jpg[/img][/align][align=center][color=#0070c0]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[/color][/align]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%。[align=center][size=18px][back=#ffff00][b]结论[/b][/back][/size][/align]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1.7×10? Ωcm，对照的nBn器件的表面电阻率为3.1×103 Ωcm，而pBn和nBn的R?A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。[b]论文链接：[/b][url]http://journal.sitp.ac.cn/hwyhmb/hwyhmbcn/article/abstract/2023157[/url][来源：MEMS][align=right][/align]

[size=4] photoconductive detector 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。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。为了避免光生载流子扩散引起图像模糊，连续薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可采取镶嵌靶面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成。 1873年，英国W.史密斯发现硒的光电导效应，但是这种效应长期处于探索研究阶段，未获实际应用。第二次世界大战以后，随着半导体的发展，各种新的光电导材料不断出现。在可见光波段方面，到50年代中期，性能良好的硫化镉、硒化镉光敏电阻和红外波段的硫化铅光电探测器都已投入使用。60年代初，中远红外波段灵敏的Ge、Si掺杂光电导探测器研制成功，典型的例子是工作在3～5微米和8～14微米波段的Ge:Au（锗掺金）和Ge:Hg光电导探测器。60年代末以后,HgCdTe、PbSnTe等可变禁带宽度的三元系材料的研究取得进展。 工作原理和特性 光电导效应是内光电效应的一种。当照射的光子能量hv等于或大于半导体的禁带宽度Eg时，光子能够将价带中的电子激发到导带，从而产生导电的电子、空穴对,这就是本征光电导效应。这里h是普朗克常数，v是光子频率,Eg是材料的禁带宽度（单位为电子伏）。因此，本征光电导体的响应长波限λc为 λc=hc/Eg=1.24/Eg (μm) 式中 c为光速。本征光电导材料的长波限受禁带宽度的限制。在60年代初以前还没有研制出适用的窄禁带宽度的半导体材料，因而人们利用非本征光电导效应。Ge、Si等材料的禁带中存在各种深度的杂质能级，照射的光子能量只要等于或大于杂质能级的离化能，就能够产生光生自由电子或自由空穴。非本征光电导体的响应长波限λ由下式求得 λc＝1.24/Ei 式中Ei代表杂质能级的离化能。到60年代中后期，Hg1-xCdxTe、PbxSn1-xTe、PbxSn1-xSe等三元系半导体材料研制成功,并进入实用阶段。它们的禁带宽度随组分x值而改变，例如x＝0.2的HG0.8Cd0.2Te材料，可以制成响应波长为 8～14微米大气窗口的红外探测器。它与工作在同样波段的Ge：Hg探测器相比有如下优点：①工作温度高（高于77K），使用方便,而Ge:Hg工作温度为38K。②本征吸收系数大,样品尺寸小。③易于制造多元器件。表1和表2分别列出部分半导体材料的Eg、Ei和λc值。 通常，凡禁带宽度或杂质离化能合适的半导体材料都具有光电效应。但是制造实用性器件还要考虑性能、工艺、价格等因素。常用的光电导探测器材料在射线和可见光波段有：CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge等 在近红外波段有：PbS、PbSe、InSb、Hg0.75Cd0.25Te等 在长于8微米波段有:Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x、Te、Si掺杂、Ge掺杂等；CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光电导探测器。 可见光波段的光电导探测器 CdS、CdSe、CdTe 的响应波段都在可见光或近红外区域，通常称为光敏电阻。它们具有很宽的禁带宽度（远大于1电子伏）,可以在室温下工作，因此器件结构比较简单，一般采用半密封式的胶木外壳，前面加一透光窗口，后面引出两根管脚作为电极。高温、高湿环境应用的光电导探测器可采用金属全密封型结构，玻璃窗口与可伐金属外壳熔封。 器件灵敏度用一定偏压下每流明辐照所产生的光电流的大小来表示。例如一种CdS光敏电阻,当偏压为70伏时，暗电流为10-6～10-8安，光照灵敏度为3～10安/流明。CdSe光敏电阻的灵敏度一般比 CdS高。光敏电阻另一个重要参数是时间常数 τ，它表示器件对光照反应速度的大小。光照突然去除以后，光电流下降到最大值的 1/e（约为37％）所需的时间为时间常数 τ。也有按光电流下降到最大值的10％计算τ的 各种光敏电阻的时间常数差别很大。CdS的时间常数比较大（毫秒量级）。 红外波段的光电导探测器 PbS、Hg1-xCdxTe 的常用响应波段在 1～3微米、3～5微米、8～14微米三个大气透过窗口。由于它们的禁带宽度很窄，因此在室温下，热激发足以使导带中有大量的自由载流子，这就大大降低了对辐射的灵敏度。响应波长越长的光，电导体这种情况越显著，其中1～3微米波段的探测器可以在室温工作（灵敏度略有下降）。3～5微米波段的探测器分三种情况：①在室温下工作，但灵敏度大大下降，探测度一般只有1～7×108厘米瓦-1赫；②热电致冷温度下工作(约-60℃),探测度约为109厘米瓦-1赫 ③77K或更低温度下工作,探测度可达1010厘米瓦-1赫以上。8～14微米波段的探测器必须在低温下工作，因此光电导体要保持在真空杜瓦瓶中，冷却方式有灌注液氮和用微型制冷器两种。 红外探测器的时间常数比光敏电阻小得多,PbS探测器的时间常数一般为50～500微秒,HgCdTe探测器的时间常数在10-6～10-8秒量级。红外探测器有时要探测非常微弱的辐射信号,例如10-14 瓦；输出的电信号也非常小,因此要有专门的前置放大器。[/size]