近红外单光子探测器

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，中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站自主研制的近红外单光子探测器成功实现了卫星激光测距。长春人卫站激光测距研究室的研究人员利用先进的数值仿真技术、器件工艺以及外围控制驱动技术，自主完成了近红外单光子探测器的结构设计、电路优化以及器件制备。近红外单光子探测器经中科院上海天文台测试并应用于1064nm近红外激光测距系统，成功获取地球同步轨道卫星北斗G1的观测数据，单次测距点数高达31446点，测距精度为1.42cm，与常规的532nm激光测距相比，系统回波探测率提高3-4倍；器件性能与美国PGI研制的同样采用SAGCM设计方案的近红外单光子探测器水平相当。 长春人卫站研制出国内首款近红外激光测距单光子探测器，不仅打破了国外技术封锁及市场垄断，推动我国先进光电探测仪器向小型化、高可靠、高稳定方向持续发展，更为我国自主建设空间碎片测距系统、开展激光测月等国家重大工程任务提供可靠有效的工具和手段。

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

近期，由中国光学工程学会、辽宁省科学技术协会主办的全国光电测量测试技术及产业发展大会暨辽宁省第十七届学术年会在大连成功召开。会议同期举办首届“金燧奖”中国光电仪器品牌榜颁奖典礼。仪器信息网作为大会独家合作媒体参与了本次会议，并采访了金燧奖银奖获奖单位代表科大国盾量子技术股份有限公司（以下简称“国盾量子”）光电产品总监高松。国盾量子的获奖项目为“近红外半导体单光子探测器”，该设备是一种能够将极微弱单光子信号转换为电脉冲信号的光电探测器，具备高探测效率、低暗计数等技术指标，可为异步弱光探测应用提供优秀的解决方案，已应用于单光子颗粒物雷达、单光子成像系统、单光子测距系统等产品中。该成果的研发背景和初衷是什么？ 该成果实现了怎样的创新突破，解决了什么样的关键问题，面向的主要用户有哪些？有哪些技术优势？随着技术的进步和产业的发展，未来还将对相关技术提出哪些技术需求和挑战？有哪些发展建议？科研院所和仪器企业如何打好“国产化攻坚战”？更多内容请观看视频： 首届“金燧奖”中国光电仪器品牌榜由中国光学工程学会联合多家单位于2022年发起，旨在积极面向国家重大战略需求，进一步突出企业的创新主体地位，促进关键核心技术攻关，突破卡脖子技术。本届“金燧奖”重点围绕分析仪器、计量仪器、测量仪器、物理性能测试仪器、环境测试仪器、医学诊断仪器、工业自动化仪器等7个类别进行广泛征集，得到了社会各界积极的参与和热情的响应。经过严格评审，71个优秀仪器产品脱颖而出，遴选出金奖10项、银奖16项、铜奖28项、优秀奖17项。这些产品都是我国自主研发、制造、生产的专精特新的高端光学仪器，较好地展现了我国在高端科学仪器中的自主核心竞争力，提升了民族品牌在激励市场竞争中的自信心，鼓舞了国产厂商的攻关热情。

p style="text-align: justify text-indent: 2em " 由无锡中微晶园电子有限公司牵头承担的国家重点研发计划“重大科学仪器设备开发”重点专项“高灵敏硅基雪崩探测器研发及其产业化技术研究”项目经过近两年的努力，突破了低抖动、大光敏面硅单光子探测芯片设计、界面电场调控的离子注入和氧化层制备、低噪声芯片封装等关键技术，开发出硅单光子探测器样机。近日，项目顺利通过了科技部高技术中心组织的中期检查。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "硅单光子探测器具有超高灵敏度，是300-1100nm波段超高灵敏探测不可替代的关键芯片，且器件性能稳定可靠、易形成面阵，是实现远距离精密测量、激光雷达等重大科学仪器的关键核心部件之一。目前国内硅单光子探测芯片主要依赖进口，且阵列芯片禁运。开展硅单光子探测器的自主化研究，对独立自主研制精密测量、激光雷达等装备具有重要意义。项目提出了雪崩过程随机性电场抑制方法，基于国产硅片和研发平台，研制出大光敏面、低时间抖动的硅雪崩探测器芯片，开发了一系列可工程化应用的制备关键技术，并在“北斗系统”开展了激光测距示范应用；同时还面向智能交通的市场需求，研制出线性模式硅雪崩探测器。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "该项目下一步将加快产品化开发，提高产品技术成熟度，加快产品应用示范及推广。 /p

题注：韦布通过将冷却至极低温的大口径太空望远镜(预计是斯皮策红外天文望远镜的50倍灵敏度和7倍的角分辨率)和先进的红外探测器工艺相结合，带来了科学能力的巨大进步。它将为以下四个科学任务做出重要贡献：1. 发现宇宙的“光”；2. 星系的集合，恒星形成的历史，黑洞的生长，重元素的产生；3. 恒星和行星系统是如何形成的；4. 行星系统和生命条件的演化。而这一切，都离不开部署在韦布上的先进的红外探测器阵列！ ============================================================近日，NASA公布了“鸽王”詹姆斯韦布望远镜拍摄的一张照片！ 图1. 韦布拍的一张照片，图源：NASA 什么鬼？！这台花费百亿美金的望远镜有点散光啊… … 怕不是在逗我玩呢吧… … 别急，这确实是韦布望远镜用它的近红外相机(NIRCam)拍的一张照片。确切来说，这只是一张马赛克拼图的中间部分。上面一共18个亮点，每个亮点都是北斗七星附近的同一颗恒星。因为韦布的主镜由18块正六边形镜片拼接而成，之前为了能够塞进火箭狭窄的“货舱”发射升空，韦布连主镜片都折叠了起来，直到不久前才完全展开。但这些主镜片还没有对齐，于是便有了首张照片上那18个看似随机分布散斑亮点。对于韦布团队的工程师而言，这张照片可以指导他们接下来对每一块主镜片作精细调整，直到这18个亮点合而为一，聚成一个清晰的恒星影像为止。想看韦布拍摄的清晰版太空美图，我们还要再耐心等几个月才行。小编觉得，大概到今年夏天，就差不多了吧。=============================================================================中红外仪器MIRI如果把韦布网球场般大小的主反射镜，比作人类窥探宇宙的“红外之眼”的晶状体的话，韦布携带的中红外仪器，可以说就是这颗“红外之眼”的视网膜了。今天，小编要带大家了解的，就是韦布得以超越哈勃望远镜的核心设备——中红外仪器 (MIRI，Mid-infared Instrument)。图2. 韦布望远镜的主要子系统和组件，中红外仪器MIRI位于集成科学仪器模组(ISIM)。原图来源：NASA如图2所示，韦布望远镜的主、副镜片经过精细调整和校准后，收集来自遥远太空的星光，并将其导引至集成科学仪器模组(ISIM)进行分析。ISIM包含以下四种仪器：l 中红外仪器(MIRI)l 近红外光谱仪 (NIRSpec)l 近红外相机 (NIRCam)l 精细导引传感器/近红外成像仪和无狭缝光谱仪 (FGS-NIRISS)其中，最引人注目的，便是韦布望远镜的中红外仪器 (MIRI，Mid-infared Instrument) 。MIRI包含一个中红外成像相机和数个中红外光谱仪，可以看到电磁光谱中红外区域的光，这个波长比我们肉眼看到的要长。 图3. MIRI 将工作在 5 至 28 微米的中远红外波长范围。图源：NASAMIRI 的观测涵盖 5 至 28 微米的中红外波长范围(图3)。 它灵敏的探测器将使其能够看到遥远的星系，新形成的恒星，以及柯伊伯带中的彗星及其他物体的微弱的红移光。 MIRI 的红外相机，将提供宽视场、宽谱带的成像，它将继承哈勃望远镜举世瞩目的成就，继续在红外波段拍摄令人惊叹的天文摄影。 所启用的中等分辨率光谱仪，有能力观察到遥远天体新的物理细节(如可能获取的地外行星大气红外光谱特征)。MIRI 为中红外波段天文观测提供了四种基本功能：1. 中红外相机：使用覆盖 5.6 μm 至 25.5μm 波长范围的 9 个宽带滤光片获得成像；2. 低分辨光谱仪：通过 5 至 12 μm 的低光谱分辨率模式获得光谱，包括有狭缝和无狭缝选项，3. 中分辨光谱仪：通过 4.9 μm 至 28.8 μm 的能量积分单元，获得中等分辨率光谱；4. 中红外日冕仪：包含一个Lyot滤光器和三个4象限相位掩模日冕仪，均针对中红外光谱区域进行了优化。韦布的MIRI是由欧洲天文科研机构和美国加州喷气推进实验室 (JPL) 联合开发的。 MIRI在欧洲的首席研究员是 Gillian Wright(英国天文技术中心)，在美国的首席研究员是 George Rieke(亚利桑那大学)。 MIRI 仪器科学家，是 英国天文技术中心 的 Alistair Glasse 和 喷气推进实验室 的 Michael Ressler。 ===============================================================================深入了解MIRI的技术细节 图4. 集成科学仪器模组(ISIM)的三大区域在韦布上的位置。图源：NASA 将四种主要仪器和众多子系统集成到一个有效载荷 ISIM 中是一项艰巨的工作。 为了简化集成，工程师将 ISIM 划分为三个区域(如图4)： “区域 1” 是低温仪器模块，MIRI探测器就包含在其中。这部分区域将探测器冷却到 39 K，这是必要的最初阶段的冷却目标，以便航天器自身的热量，不会干扰从遥远的宇宙探测到的红外光(也是一种热量辐射)。ISIM和光学望远镜(OTE)热管理子系统提供被动冷却，而使探测器变得更冷，则需使用其他方式。“区域 2” 是ISIM电子模块，它为电子控制设备提供安装接口和较温暖的工作环境。“区域 3”，位于航天器总线系统内，是 ISIM 命令和数据处理子系统，具有集成的 ISIM 飞行控制软件，以及 MIRI 创新的低温主动冷却器压缩机(CCA)和控制电子设备(CCE)。 图5. MIRI整体构成及各子系统所处的区域。图源：NASA图5示出了MIRI的整体构成及其子系统在韦布三大区域中的分布情况。包含成像相机，光谱仪，日冕仪的光学模块 (OM) 位于集成科学仪器模块 (ISIM) 内，工作温度为 40K。 OM 和焦平面模块 (FPM) 通过基于脉冲管的机械主动冷却器降低温度，航天器中的压缩机 (CCA) ，控制电子设备 (CCE) 和制冷剂管线 (RLDA) 将冷却气体(氦气)带到 OM 附近实现主动制冷。仪器的机械位移，由仪器控制电子设备 (ICE) 控制，焦平面的精细位置调整，由焦平面电子设备 (FPE) 操作，两者都位于上述放置在 ISIM 附近的较温暖的“区域 2”中。 图6. ISIM低温区域1(安装于主镜背后)中的MIRI结构设计及四个核心功能模块的位置。原图来源：NASA MIRI光模块由欧洲科学家设计和建造。来自望远镜的红外辐射通过输入光学器件和校准结构进入，并在焦平面(仪器内)在中红外成像仪(还携带有低分辨率光谱仪和日冕仪)和中等分辨率光谱仪之间分光。经过滤光，或通过光谱分光，最终将其汇聚到探测器阵列上(如图6)。 探测器是吸收光子并最终转换为可测量的电压信号的器件。每台光谱仪或成像仪都有自己的探测器阵列。韦布需要极其灵敏的，大面积的探测器阵列，来探测来自遥远星系，恒星，和行星的微弱光子。韦布通过扩展红外探测器的先进技术，生产出比前代产品噪音更低，尺寸更大，寿命更长的探测器阵列。 图7. (左)韦布望远镜近红外相机 (NIRCam) 的碲镉汞探测器阵列，(右)MIRI 的红外探测器(绿色)安装在一个被称为焦平面模块的块状结构中，这是一块1024x1024 像素的砷掺杂硅像素阵列(100万像素)。图源：NASA。 韦布使用了两种不同材料类型的探测器。如图7所示，左图是用于探测 0.6 - 5 μm波段的近红外碲镉汞(缩写为 HgCdTe或MCT)“H2RG”探测器，右图是用于探测5 - 28 μm波段的中红外掺砷硅(缩写为 Si:As)探测器。 近红外探测器由加利福尼亚州的 Teledyne Imaging Sensors 制造。 “H2RG”是 Teledyne 产品线的名称。中红外探测器，由同样位于加利福尼亚的 Raytheon Vision Systems 制造。每个韦布“H2RG”近红外碲镉汞探测器阵列，有大约 400 万个像素。每个中红外掺砷硅探测器，大约有 100 万个像素。(小编点评：以单像素碲镉汞探测器的现有市场价格计算，一块韦布碲镉汞探测器阵列的价格就要四十亿美金！！！为了拓展人类天文知识的边界，韦布这回真是不计血本啊！) 碲镉汞是一种非常有趣的材料。 通过改变汞与镉的比例，可以调整材料以感应更长或更短波长的光子。韦布团队利用这一点，制造了两种汞-镉-碲化物成分构成的探测器阵列：一种在 0.6 - 2.5 μm范围内的汞比例较低，另一种在 0.6 - 5 μm范围内的汞含量较高。这具有许多优点，包括可以定制每个 NIRCam 检测器，以在将要使用的特定波长上实现峰值性能。表 1 显示了韦布仪器中包含的每种类型探测器的数量。 表1. 韦布望远镜上的光电探测器，其中MIRI包含三块砷掺杂的硅探测器，一块用于中红外相机和低分辨光谱仪，另外两块用于中分辨光谱仪。来源：NASA而MIRI 的核心中红外探测功能，则是由三块砷掺杂的硅探测器(Si:As)阵列提供。其中，中红外相机模块提供宽视场，宽光谱的图像，光谱仪模块在比成像仪更小的视场内，提供中等分辨率光谱。MIRI 的标称工作温度为7K，如前文所述，使用热管理子系统提供的被动冷却技术无法达到这种温度水平。因此，韦布携带了创新的主动双级“低温冷却器”，专门用于冷却 MIRI的红外探测器。脉冲管预冷器将仪器降至18K，再通过Joule-Thomson Loop热交换器将其降至7K目标温度。 韦布红外探测器工艺及架构 图8. 韦布太空望远镜使用的红外探测器结构。探测器阵列层(HgCdTe 或 Si:As)吸收光子并将其转换为单个像素的电信号。铟互连结构将探测器阵列层中的像素连接到 ROIC(读出电路)。ROIC包含一个硅基集成电路芯片，可将超过 100万像素的信号，转换成低速编码信号并输出，以供进一步的处理。图源：Teledyne Imaging Sensors 韦布上的所有光电探测器，都具有相同的三明治架构(如上图)。三明治由三个部分组成：(1) 一层半导体红外探测器阵列层，(2) 一层铟互连结构，将探测器阵列层中的每个像素连接到读出电路阵列，以及 (3) 硅基读出集成电路 (ROIC)，使数百万像素的并行信号降至低速编码信号并输出。红外探测器层和硅基ROIC芯片是独立制备的，这种独立制造工艺允许对过程中的每个组件进行仔细调整，以适应不同的红外半导体材料(HgCdTe 或 Si:As)。铟是一种软金属，在稍微施加压力下会变形，从而在探测器层的每个像素和 ROIC阵列之间形成一个冷焊点。为了增加机械强度，探测器供应商会在“冷焊”工艺后段，在铟互连结构层注入流动性高，低粘度的环氧树脂，固化后的环氧树脂提高了上下层的机械连接强度。 韦布的探测器如何工作？与大多数光电探测器类似，韦布探测器的工作原理在近红外 HgCdTe 探测器和中红外 Si:As 探测器中是相同的：入射光子被半导体材料吸收，产生移动的电子空穴对。它们在内置和外加电场的影响下移动，直到它们找到可以存储的地方。韦布的探测器有一个特点，即在被重置之前，可以多次读取探测器阵列中的像素，这样做有好几个好处。例如，与只进行一次读取相比，可以将多个非重置性读取平均在一起，以减少像素噪声。另一个优点是，通过使用同一像素的多个样本，可以看到信号电平的“跳跃”，这是宇宙射线干扰像素的迹象。一旦知道宇宙射线干扰了像素，就可以在传回地球的信号后处理中，应用校正来恢复受影响的像素，从而保留其观测的科学价值。 对韦布探测器感兴趣的同学们，下面的专业文献，可供继续学习。有关红外天文探测器的一般介绍，请参阅Rieke, G.H. 2007, "Infrared Detector Arrays for Astronomy", Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics, Vol. 45, pp. 77-115有关候选 NIRSpec 探测器科学性能的概述，请参阅Rauscher, B.J. et al. 2014, "New and Better Detectors for the Webb Near-Infrared Spectrograph", Publications of the Astronomical Society of the Pacific, Vol 126, pp. 739-749有关韦布探测器的一般介绍，请参阅Rauscher, B.J. "An Overview of Detectors (with a digression on reference pixels)" 参考资源:[1]. 亚利桑那大学关于MIRI的介绍网页. http://ircamera.as.arizona.edu/MIRI/index.htm[2]. Space Telescope Science Institute 关于MIRI的技术网页 https://www.stsci.edu/jwst/instrumentation/instruments[3]. 韦布的创新制冷设备介绍 https://www.jwst.nasa.gov/content/about/innovations/cryocooler.html

2022年8月19日，经国际电工委员会（IEC）批准，由中科院上海微系统所超导电子实验室尤立星研究员牵头制定的国际标准IEC 61788-22-3:2022 ED1 Superconductivity - Part 22-3: Superconducting strip photon detector - Dark count rate正式发布。该标准项目制定工作于2018年7月正式获批启动，经过四年的努力最终完成。这是全球首个单光子探测器的国际标准，也是在超导电子学领域我国牵头制定的首个国际标准。尤立星研究员团队在超导条带光子探测器研究方面具有广泛的国内外影响力，特别是在探测效率和暗计数研究方面，取得多项原创性成果；并成立高新技术企业赋同量子科技（浙江）有限公司，开展超导单光子探测技术产业化运作。尤立星研究员是IEC TC90 第十四工作组（WG14：超导电子器件）成员，一直代表中国积极参与超导电子器件领域的国际标准化工作，并因其在国际标准化方面的贡献获2018年度IEC 1906奖。IEC 61788-22-3作为首个超导条带光子探测器（SSPD）的国际标准，没有过去的相关经验可以借鉴。尤立星和同事杨晓燕博士围绕该国际标准开展了大量的技术标准文档写作、循环比对试验以及沟通协调工作，工作也得到了南京大学、天津大学等国内同行的大力支持。特别是这两年的全球新冠疫情和复杂的国际关系变化给相关国际交流、特别是国际循环比对试验带来了巨大的挑战。最终项目团队克服重重困难，完成了标准制定的所有工作。相关工作得到了全国超导标准化技术委员会（SAC/TC265）和IEC TC90第十四工作组的大力支持。备注：在学术界该类器件通常称为超导纳米线单光子探测器件（Superconducting Nanowire Single Photon Detector）。在IEC标准IEC61788-22-1中，该器件被命名为超导条带光子探测器Superconducting (Nano)Strip Photon Detector, 简称：SSPD或SNSPD。

近日，湘潭大学湖南先进传感与信息技术创新研究院曹觉先教授和黄凯教授团队在纳米材料领域国际著名期刊《美国化学学会—纳米》（ACS Nano，IF=18.027）在线发表了题为“碳纳米管晶体管结合胶体量子点光敏栅极的高外量子效率光电探测器”（Carbon Nanotube Transistor with Colloidal Quantum Dot Photosensitive Gate for Ultra-High External Quantum Efficiency Photodetector）。论文第一作者为研究院2020级博士研究生韩建富，曹觉先教授和黄凯教授为共同通讯作者，湘潭大学为论文的第一单位。PbS胶体量子点是开发下一代高性能近红外光电探测器的有力候选者。然而，由于配体隔离以及表面缺陷的存在，PbS量子点通常表现出低的载流子迁移率，这限制了量子点光电子器件性能的进一步提升。针对这一问题，曹觉先教授和黄凯教授团队通过合理的设计，将PbS胶体量子点光电二极管和碳纳米管薄膜场效应晶体管成功结合，实现了一种具有光敏感栅极的晶体管型近红外探测器。光生电子与空穴在负栅压与内建电场的双重作用下能快速分离与转移，聚积在栅极电介质层界面的光生电子能产出等效栅电容效应开启碳基晶体管，从而实现光信号向电信号的转换。该项研究提出在光电转换器件中光学模块和电学模块相互分离的结构，可以同时发挥PbS量子点光学和碳纳米管电学的优势。该文报道的光电探测器在950 nm近红外光下的响应度和探测率分别为41.9 A/W和3.04×1011Jones。更重要的是，由于碳基场效应晶体管的放大功能，通过二次电子的增益效应，该器件的外量子效率（EQE）达到5470%。此外，器件还展现出灵活可调的光响应，通过栅电压可在大的范围内控制调节响应性能参数。本文中光电探测器的独特结构和出色性能，为下一代光电探测器件的研究与开发提供了新的思考。论文得到了国家重点研发计划项目以及湖南省教育厅重点项目的资助。探测器阵列∣单光电探测器结构∣探测机理∣器件响应度与外量子效应湖南先进传感与信息技术创新研究院成立于2018年，由湘潭大学与北京大学合作共建，是集人才培养、科学研究、技术开发、成果转移转化于一体，治理结构完善、运行机制灵活、有别于现有机构的“实验区”。研究院团队由中国科学院彭练矛院士领衔，包括国家优青、青年拔尖人才、青年千人等在内的11名学术带头人、5名教授、2名副教授、12位优秀博士、14名实验室工程技术人员、100余名博士及硕士研究生。围绕碳基集成电路和新型传感器为代表的新一代信息技术领域，团队在唐氏综合症筛查、肝癌检测、无创血糖监测等生物传感和甲烷、氢气、甲醛等气体传感器件及其相关技术方面取得重要成果，并已研制全球首条碳基传感器芯片小试线，推进相关核心技术产业化。

仪器信息网讯 2011年3月7日至14日，南京大学携超导单光子探测器亮相国家“十一五”重大科技成就展。超导单光子探测器　　南京大学成功研制了超导单光子探测器芯片，建立了通讯光纤耦合的单光子信号检测系统，掌握了从材料生长到芯片制备，再到信号检测系统的全部技术。该探测器对1550nm波长信号的系统检测效率达4.2%，对660nm波长的系统检测效率高达30%，实验结果处于国际前列，标志着我国继俄、美、日后，成为第四个能独立研制超导单光子探测器的国家。

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。

近日，国科大杭州高等研究院物理与光电工程学院陈效双研究员团队提出了一种通过六方氮化硼封装技术，实现从520 nm到4.6 μm工作波长的钽镍硒（Ta2NiSe5）非制冷红外光电探测器（PD）。该探测器在室温空气环境条件下具有较低的等效噪声功率（4.5 × 10−13W Hz−1/2）和较高的归一化探测率（3.5× 1010cm Hz1/2W−1），而且通过表征时间、偏置、功率和温度依赖等多方面因素，研究其不同波长辐射产生光电流的多重机制。此外，还展示了器件的偏振灵敏度和在不同的可见光、近红外、中波红外波长范围内的多功能成像应用。这些结果揭示了多功能的探测模式，为设计新型的纳米光电器件提供了一种新的思路。该成果以“H-BN-Encapsulated Uncooled Infrared Photodetectors Based on Tantalum Nickel Selenide”为题发表在期刊Advanced Functional Materials上（IF=19）。本工作也得到了国家自然科学基金委、上海市科委、中国科学院和浙江省自然科学基金委等项目的资助。本文利用干法转移堆叠，采用平面h-BN封装的金属-Ta2NiSe5-金属(源极和漏极)结构设计了Ta2NiSe5基PDs，如图1a所示。图1b的左侧面板显示了横截面透射电子显微镜图像，并证明原子堆中没有污染或无定形氧化物。图1d显示了在黑暗条件下和不同功率强度的激光照射（1550nm）下的I-V特性的比较，显示了近线性行为，表明Ta2NiSe5薄片和Cr/Au电极之间具有良好的欧姆接触。如图1e所示，对于窄带隙半导体Ta2NiSe5，光激发载流子的短瞬态寿命减少了电荷分离时间。Ta2NiSe5的高迁移率可以实现电场驱动的光生载流子的快速传输，降低复合的概率。520 nm至2 µm范围内的光响应机制被认为是光电导效应（PDE）。由于PDE，带间跃迁产生的电子-空穴对被施加的电场分离，并被图1h左侧面板中的电极收集。在可见光和近红外光谱中吸收光子，只要它们具有超过带隙的能量，就会触发电子-空穴（e-h）对的产生，从而调节材料的电导率。随后，这些产生的e-h对在外部电场的诱导下分离，产生光电流。基于Ta2NiSe5的PD在1550 nm处0 V和±1 V的扫描光电流映射（图1h）很好地验证了上述光电流起源的推测。图1. Ta2NiSe5基PD在大气环境中不同激光波长和功率下的光电特性。（a）基于Ta2NiSe5的PD的示意图。（b）Ta2NiSe5基PD的横截面TEM图像和相应的元素映射。（c）剥离的Ta2NiSe5纳米片的SEM图像和EDS元素图谱。（d）在1550 nm激光照射下，不同功率下的Iph-Vds曲线。（e）基于Ta2NiSe5的PD的单个响应过程，Vds为1V。（f）从具有绝对值的I-t曲线中提取的Vds和Plight相关光电流。（g）在1V偏压下基于Ta2NiSe5的PD下的光电流的线性功率和亚线性功率依赖性。（h）1550 nm激光照射下典型Ta2NiSe5基PD的扫描光电流图，以及−1、0和1 V偏压照射下从Ta2NiSe5到电极的光生载流子传输过程的说明。泡利阻塞抑制了在4.6 μm（0.27 eV）处产生电子-空穴对的直接光学跃迁。热效应机制被认为是控制MWIR区域光探测过程的潜在物理机制，如光热电效应和辐射热效应。对于辐射热效应的贡献，不需要外部偏置来产生光电流，如图2a所示，而不是依赖于自供电的工作模式。辐射热效应是指沟道材料由于吸收均匀的红外辐射而引起温度升高，从而导致电导率或光吸收等电学或光学性质变化。值得注意的是，辐射热效应需要外加电场。为了确定控制MWIR探测过程的主要机制，光响应被记录为功率和Vds的关系。光电流呈现负极性、零极性和正极性三个特征区域，分别对应图2a中的区域I、II和III。通过测量Ta2NiSe5基PDs电阻的温度依赖性（4-400 K），器件电阻的温度依赖性表现出典型的半导体热激发输运性质，表明热效应可以有效地增强器件电导（图2b）。电阻的温度系数（TCR）是辐射热效应的一个关键指标，在Vds=1 V时，Ta2NiSe5基PDs的TCR为-1.9% K-1。与快速的可见光-近红外光响应相反，在关闭光后漏极电流缓慢恢复，响应时间≈24 ms（图2c）。辐射热效应可以解释明显的光响应与缓慢的下降和上升时间，而不是光电导效应。该值是典型的辐射热特性（1-100 ms），因为吸收MWIR光子后热电子的能量转移到晶格，进一步改变沟道电导。此外，在传热和耗散过程中，h-BN利用极高的导热系数有效地消散探测器产生的热量。光电流的产生分为两种状态。首先，沟道材料在吸收MWIR光子后改变自身电导率，其次，通过驱动外电场产生光电流（图2d）。与PTE中取决于塞贝克系数的光电流符号不同，辐射热光电流的符号取决于外部电场。为了直观地揭示Ta2NiSe5基PDs的光响应机制，本文利用扫描光电流成像技术对光电流分布进行成像（图2e）。在0 V偏置照射下，几乎没有观察到光电流，而在±1 V的外偏置照射下，整个沟道的光电流相当均匀。诱导的电导变化可能是入射光下温度升高期间产生电流的载流子数量变化的结果。Ta2NiSe5基PDs具有独特的性能，它们可以在室温下工作而不会性能下降，这使得它们有希望用于辐射热探测应用。此外，该器件无需p-n结即可工作，简化了制造过程。图2. 基于Ta2NiSe5的PD在4.6 µm光照下的光响应。（a）从I-t曲线中提取的Vds和Plight相关光电流。（b）Ta2NiSe5纳米片电阻的温度依赖性。（c）Vds为1V的基于Ta2NiSe5的PD的单个响应过程。（d）基于Ta2NiSe5的器件在4.6 µm激光照射下的晶格加热的典型示意图。（e）4.6 µm激光照射下典型Ta2NiSe5基PD的扫描光电流图，以及−1、0和1 V偏压照射下测辐射热机制器件的能带对准。接下来，520 nm-4.6 µm波长范围内的光的光谱响应度如图3a（左纵轴）所示，在4.6 µm处峰值为0.86 A W−1。在图3a（右纵轴）中，在不同激发波长上进行的EQE测量表明，随着波长的增加，EQE逐渐下降。由入射光子和晶格振动之间的相互作用产生的有限的能量转换效率，以及两端电极的有限收集，通过阻碍入射光子到光生载流子的有效转换，降低了材料的量子效率。重要的是，从可见光到MWIR光谱范围（520 nm-4.6 µm）实现了0.23至82.22的EQE值。与许多传统报道的基于低维材料的PD相比，基于Ta2NiSe5的PD的EQE显著更高，如图3b所示。从1 Hz到10 kHz测量的电流噪声功率谱如图3c所示，然后将NEP计算为NEP=in/RI（图3d），其中在520 nm处获得的最小NEP≈0.45 pW Hz−1/2，在4.6 µm处获得的最低NEP≈18 pW Hz−1/2。基于Ta2NiSe5的PD的较低NEP证明了它们区分信号和噪声的优异能力。图3e显示了与传统大块材料和基于2D材料的PD相比，基于Ta2NiSe5的PD在不同偏压下的波长依赖性特异性检测。对于光电导和测辐射热计响应，D*显示出3.5×1010至8.75×108cm Hz1/2W−1的轻微波动。我们的PD的D*与最先进的商业PD相当，并且高于基于可见光到中红外区域的2D材料的PD。图3. 基于Ta2NiSe5的PD的可见光至MWIR区域的宽带光响应。（a）Vds＝1时RI（蓝色实心正方形）和EQE（红色实心圆）的波长依赖性。（b）基于Ta2NiSe5的PD与2D和块体材料PD的EQE的比较。（c）从1 Hz到10 kHz测量的电流噪声功率谱。（d）基于Ta2NiSe5的PD与以前的PD的NEP性能比较，插图显示了NEP的波长依赖性。（e）不同波长下的比探测率（D*）与基于2D材料的最先进的其他PD以及商用红外PD的比较。为了确定基于Ta2NiSe5的PD的偏振依赖性，我们进行了如图4a所示的实验。垂直入射光使用格兰泰勒棱镜进行偏振，通过旋转半波片同时保持恒定的激光功率来改变样品的激光偏振方向和b轴之间的关系。对最具代表性的638 nm激光偏振特性进行研究，图4b，c显示，随着极化角的变化，光电流表现出显著的周期性变化，最大值和最小值分别沿Ta2NiSe5纳米片的b轴和a轴方向获得。值得注意的是，图4c中的偏振依赖性光响应图显示了由于Ta2NiSe5晶体的[TaSe6]2链的潜在1D排列而导致的两片叶子的形状。最终结果显示，各向异性比（Iph-max/Iph-min）达到约1.47，表明基于Ta2NiSe5的PD的整体性能优于大多数其他报道的PD，如图4f所示，并为设计未来的多功能、空气稳定的光电子器件提供了广阔的前景。图4. 基于Ta2NiSe5的PD的偏振敏感光电检测。（a）利用Ta2NiSe5材料的基于纳米片的偏振敏感光电探测器的示意图。（b）在638 nm激光源下记录的光偏振方向为0°至360°的时间分辨光响应。（c）在638 nm偏振激光下，Vds为−1至0V的光电流中各向异性响应的各向异性响应图。（d）通过在638 nm激光下扫描Ta2NiSe5基PD获得的光电流图，偏振角从0°到180°不等。（e）创建极坐标图以显示在638 nm线性偏振激光照射下在40、36和17 nm厚度下产生的角度分辨光电流。（f）与其他常用的2D和1D材料相比，光电流各向异性比和光响应范围。为了充分探索基于Ta2NiSe5单元的PD在多应用成像中的潜力，如图5a所示构建了一个成像系统。采用逐点或逐像素覆盖整个物体区域，用聚焦的可检测光束照射物体，PD检测到的光电流信号由锁定放大器、前置放大器和计算机收集，计算机记录位置坐标生成高质量图像。为了测试基于Ta2NiSe5的PD的成像能力，将具有“HIAS”图案（15 cm×5 cm）的中空金属板放置在520 nm激光器前面，并以优于0.5 mm的高分辨率成功捕获了所产生的成像，如图5b所示。通过控制外部偏置，可以改变PD在638 nm照明下的响应，并成功实现物体成像清晰度，如图5c所示。在NIR范围内，在基于Ta2NiSe5的PD中获得了覆盖载玻片的钥匙锯齿状边缘的高对比度图像（图5d）。此外，基于Ta2NiSe5的设备在近红外和MWIR区域都表现出高度稳定的响应，确保了高对比度成像以智能识别宏观物体。为了证明这一特性，在1550 nm和3.2 μm处实现了复合物体（硅片和长尾夹）的双通道成像。如图5e所示，近红外光只能检测到一半的长尾夹，而MWIR辐射可以显示整个长尾夹。结果证明了基于Ta2NiSe5的PD在军事和民用应用中检测隐藏物体的潜力。图5. Ta2NiSe5基PD的光电成像应用。（a）使用PD作为成像像素的成像系统的示意图。（b）520 nm处的“HIAS”物体（上图）和相应的高分辨率成像图（下图）。（c）在638 nm处，Vds为0.05、0.1、0.5和1 V的“H”对象。（d）1550 nm覆盖载玻片的钥匙成像。（e）在1550 nm和3.2 µm处被硅片部分隐藏的长尾夹的成像。本文揭示了h-BN封装的Ta2NiSe5基PD在环境条件下在520 nm至4.6 µm的宽光谱范围内工作的特殊光电特性，受光电导和测辐射热效应的控制。光电探测器同时表现出宽带和快速的光电探测能力，具有显著的响应性，超过了现有商业室温探测器的性能。基于Ta2NiSe5的PD的室温响应度达到了34.44 AW−1（520 nm）、32.14 AW−1（638 nm）、29.81 AW−1（830 nm）、20.92 AW−1（1550 nm），16.58 AW−1（2 µm）和0.86 AW−1（4.6 µm）。基于Ta2NiSe5的PD的独特光学特性使其适合于各种应用，包括传感、成像和通信，并且它们与其它2D材料的集成可以进一步增强它们的性能和功能。因此，这项工作的研究为利用2D材料设计稳定的光电探测器铺平了道路，为推进下一代红外光电子研究的发展做出了贡献。论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202305380

table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" width="600"tbodytrtd width="109"p style="line-height: 1.75em "成果名称/p/tdtd width="549" colspan="3"p style="line-height: 1.75em "时间相关拉曼-荧光光谱仪关键部件--时间相关光子计数探测器/p/td/trtrtd width="109"p style="line-height: 1.75em "单位名称/p/tdtd width="549" colspan="3"p style="line-height: 1.75em "北京师范大学/p/td/trtrtd width="109"p style="line-height: 1.75em "联系人/p/tdtd width="132"p style="line-height: 1.75em "韩德俊/p/tdtd width="95"p style="line-height: 1.75em "联系邮箱/p/tdtd width="322"p style="line-height: 1.75em "djhan@bnu.edu.cn/p/td/trtrtd width="109"p style="line-height: 1.75em "成果成熟度/p/tdtd width="549" colspan="3"p style="line-height: 1.75em "□正在研发 √已有样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产/p/td/trtrtd width="109"p style="line-height: 1.75em "合作方式/p/tdtd width="549" colspan="3"p style="line-height: 1.75em "√技术转让 □技术入股 □合作开发 □其他/p/td/trtrtd width="658" colspan="4"p style="line-height: 1.75em "strong成果简介： /strongbr/ /pp style="text-align:center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201603/insimg/d2651cc2-003a-47d8-8c21-0404be413e72.jpg" title="样机图片 时间相关拉曼-荧光光谱仪关键部件--时间相关光子计数探测器.jpg" width="350" height="229" border="0" hspace="0" vspace="0" style="width: 350px height: 229px "//pp style="line-height: 1.75em " 本项目研究了基于独创的外延层体电阻淬灭硅光电倍增器（SiPM）的时间相关光子计数探测器技术，验证以这种探测器为关键部件的一种新的光谱仪--时间相关拉曼-荧光谱仪的可行性和先进性。 br/ 采用我们独创的外延层体电阻淬灭SiPM作为光子计数探测器，能够在较宽光强范围内对光脉冲进行光子计数测量，其时间分辨率高于CCD（包括ICCD）或光电倍增管（PMT）。 br/ 采用我们提出基于SiPM的时间相关光子计数（TCPC）法，既能测量一个脉冲仅包含一个光子的情况，也能测量一个脉冲包含多个光子的情况。能够克服一般时间相关单光子计数（TCSPC）法测量效率较低、测量速度较慢的问题。 br/ 研制出基于条形SiPM的时间相关光子计数探测器（TCPC）样机。其时间分辨率优于100皮秒，暗计数率低于200kHz,峰值探测效率大于15%。验证该新型光谱仪能够克服一般拉曼光谱仪存在荧光背底干扰以及一般荧光光谱仪不能测量荧光寿命的问题。 br//p/td/trtrtd width="658" colspan="4"p style="line-height: 1.75em "strong应用前景： /strongbr/ 一台以本项目研制的探测器为关键部件的低成本时间相关拉曼-荧光光谱仪的功能和应用范围好于或相当于现有拉曼光谱仪、荧光光谱仪以及荧光寿命测量仪三台仪器之和，而其制造成本只与这三种仪器中的一种相当。并且，能够克服一般拉曼光谱仪存在荧光背底或高温样品存在热辐射干扰以及一般荧光光谱仪不能测量荧光寿命的问题。预期在环境监测、食品安全及公共安全等领域，乃至单分子光谱、激光测距以及飞行时间（TOF）测量等方面都将有重要的应用。/p/td/trtrtd width="658" colspan="4"p style="line-height: 1.75em "strong知识产权及项目获奖情况： /strongbr/ 开发研制出时间相关光子计数探测器（TCPC）样机，由条形SiPM探测器和前置放大器组成的探头，以及给SiPM和前放供电的电源组成。 br/ 韩德俊、王慎远、苗泉龙，“拉曼散射光谱的测量装置及拉曼散射光谱仪”，专利申请号：201510394150.X，申请日：2015年7月7日。/p/td/tr/tbody/tablepbr//p

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/

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。

近日，Science Advances发表了题为“Broadband and photovoltaic THz/IR response in the GaAs-based ratchet photodetector”的研究工作（Sci. Adv. 8, eabn2031 (2022)）。该论文提出了一种基于GaAs/AlxGa1-xAs异质结的量子棘轮结构。这种结构综合利用了电泵浦实现的热载流子注入效应、自由载流子吸收和从轻、重空穴带到自旋轨道分裂带的光跃迁等多种吸收机制，突破了界面势垒的限制，实现了从近红外到太赫兹波段（4-300太赫兹）的超宽谱光响应。A. 量子棘轮探测器结构. B. 探测器能带结构. C. 器件PL光谱. D.探测器微观机制示意图. 近年来，红外(IR)/太赫兹(THz)光电探测器已经引起了极大的关注。然而，设计高性能的宽带红外/太赫兹探测器一直是个巨大的挑战。在宽谱探测器领域，一直是热探测器占据主要地位，但热探测器难以实现高速探测。光子型探测器具有可调节的响应范围、良好的信噪比和非常快的响应速度。量子阱探测器（QWP）响应速度快，灵敏度高，光子响应范围灵活可调，是性能优异的光子型红外/太赫兹光电探测器。但窄带特性使其覆盖波段十分有限。内光发射探测器（IWIP）由于其正入射响应机制、宽谱响应以及可调的截止频率，一直被认为是极具竞争力的宽带红外/太赫兹光电探测器。但其激活能低，导致较大的暗电流，需要在极低的温度(液氦温区)下工作。量子点探测器可以在高温下实现太赫兹探测和正入射响应，但可靠性和可重复性仍然是一个巨大的挑战。光泵浦热空穴效应探测器（OPHED）基于热-冷空穴的能量转移机制进行探测，可以突破带隙光谱的限制，实现超宽谱的红外/太赫兹探测。其探测波长可调，同时能够抑制暗电流和噪声。然而，依赖于外部光学激励的热空穴注入是太赫兹探测的前置条件，这大大增加了OPHED的复杂性。A.暗电流随温度变化 B. 暗电流与常用太赫兹探测器对比 C. 零偏压下微观响应机制 D. 量子棘轮探测器光响应谱. 应用物理与计算数学研究所白鹏与上海交通大学张月蘅、沈文忠研究组提出了一种基于GaAs/AlxGa1-xAs量子棘轮新结构的超宽谱光子型探测器。该探测器能实现正入射响应，响应范围覆盖4-300THz，远超其他光子类型的探测器的覆盖范围。此外，该器件即使在零偏置电压下也能产生明显的光电流。其峰值响应率达7.3 A/W，比OPHED高出五个数量级。由于量子棘轮能带结构的不对称性，器件的响应在正负偏压下也表现出明显的差别。在温度低于 77K时，由于量子棘轮效应，探测器表现出明显的整流行为，器件暗电流比现有的光子型探测器低得多，噪声等效功率低至3.5 pW·Hz−1/2，探测率高达2.9 × 1010 Jones，展示出其在高温下工作的潜能。 该项研究中展示了一种新型超宽带太赫兹/红外光电探测器。在无任何光耦合结构设计的情况下，这种成像器件具备很宽的光谱探测范围（4-300THz），快响应速度，低噪声等效功率和高探测率，为发展高温高速的超宽谱光电探测器件奠定了基础。 该工作近日发表于Science Advances （Sci. Adv. 8, eabn2031 (2022)）上。共同第一作者北京应用物理与计算数学研究所助理研究员白鹏和张月蘅课题组博士研究生李晓虹，共同通讯作者为应用物理与计算数学研究所楚卫东研究员、上海交通大学张月蘅教授和清华大学赵自然教授。研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科技自然科学基金、博士后基金和上海交通大学“人工结构及量子调控”教育部重点实验室开放课题的经费支持。上海交通大学张月蘅课题组承担并参与了器件设计、器件性能测试表征及论文写作方面的工作。

p　　最新研究报告显示，2010年红外探测器市场预计为4.98亿美元，2025年该市场将增长到6.83亿美元，预测期内，预计年复合增长率为6.5%。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202002/uepic/2b91041c-33ec-403e-8d1c-457ccbbd1166.jpg" title="ir-detector-market3.jpg" alt="ir-detector-market3.jpg"//pp　　非工业垂直领域对红外探测器的高度需求，特别是人与运动传感、温度测量、安全和监测应用等方面，是推动红外探测器市场发展的关键因素。另外，红外技术在气体分析和火灾探测方面的不断渗透，以及非制冷红外探测器的高度普及，也是影响红外探测器市场增长的积极因素。/pp　　根据波长，红外探测器市场按可以为分近红外(NIR)、短波红外(SWIR)、中波红外(MWIR)、长波红外(LWIR)。军事和国防垂直领域对LWIR产品的高需求是导致LWIR探测器在市场上占据主导地位的主要因素之一。此外，LWIR探测器也已广泛应用于民用和商用、航空航天、汽车、食品饮料和医疗保健等行业。上述行业对这些探测器的高需求主要是由于它们比大多数MWIR和SWIR探测器的成本更低。/pp　　在预测期内，非工业垂直领域将占据最大的市场份额，并且复合年增长率也最高。军事和国防以及民用和商业是非工业垂直领域的主要部分，对红外探测器的需求最高。/pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 240px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202002/uepic/5bfc13f8-1da6-44a6-b66f-c981ceaf5c8c.jpg" title="ir-detector-market4.jpg" alt="ir-detector-market4.jpg" width="600" height="240" border="0" vspace="0"//pp　　在预测期内，北美预计将占据最大的市场份额。人与运动传感、温度测量、安全与监测是该地区红外探测器的主要应用领域。在上述应用中，军事及安防，以及民用和商用是红外探测器的主要需求来源。几家提供红外探测器的公司在这一地区都有业务，这进一步促进了北美市场的增长。/pp　　红外探测器市场的主要供应商包括：Excelitas Technologies(美国)、Nippon Ceramic (日本)、Hamamatsu Photonics (日本)、Murata Manufacturing (日本)和FLIR Systems (美国)等。/ppbr//p

由23个国家150多个研究团队组成的国际联盟 Graphene Flagship 运用纳米材料石墨烯研发出一款高精度的新型红外探测器。据团队介绍，这种新型探测仪可检测出纳瓦级的热辐射变化——相当于手轻轻摆动时释放出的能量的千分之一。　　石墨烯的优点是在高性能红外成像和光谱学中的开放性可能性。来自剑桥大学(英国)，恩伯顿有限公司(英国)，光子科学学院(ICFO 西班牙)，诺基亚和约阿尼纳大学(希腊)工作的Graphene Flagship的研究人员开发了一种基于石墨烯的，通过红外辐射检测，对于温度的微小变化的测量，具有极高精确性的热释电热辐射测量仪。　　在《自然通讯》上发表的工作证明了基于石墨烯的非冷却热检测器的最高报告的温度敏感性，能够将温度变化分解为几十μ K。仅需要几纳米的IR辐射功率来在隔离器件中产生这样小的温度变化，比通过紧密靠近的人手递送到检测器的IR功率小大约1000倍。石墨烯红外探测器，可检测出极微小的热辐射变化　　检测器的高灵敏度对于超过热成像的光谱应用是非常有用的。使用高性能的基于石墨烯的IR检测器，可以提供较少的入射辐射的强信号，可以隔离IR光谱的不同部分。这在安全应用中是至关重要的，其中不同的材料(例如爆炸物)可以通过它们的特征IR吸收或透射光谱来区分。　　恩伯顿首席工程师和研究的联合负责人Alan Colli博士说：“使用更高灵敏度的检测器，可以限制大的热带，并且仍然使用在非常窄的光谱范围内的光子形成图像，并且做多光谱红外成像对于安全检查，有特定的签名，材料在窄带中发射或吸收，因此，需要一个在窄带中训练的检测器，这在寻找爆炸物，有害物质或任何分类。”　　典型的IR光电探测器通过热电效应或作为测量由于加热引起的电阻变化的测辐射热计进行操作。基于石墨烯的热释电测辐射热计将这两种方法与石墨烯的优异电性能相结合，以获得最佳性能。石墨烯作为信号的内置放大器，消除了对外部晶体管的需要，意味着没有寄生电容的损失和显着低的噪声。　　石墨烯的高电导率还提供与用于与检测器像素和记录装置接口的外部读出集成电路(ROIC)的方便的阻抗匹配。随着石墨烯质量的持续改进(例如，更高的迁移率)，可以制造具有扩展的动态范围(器件将可靠地工作的温度范围)的稳健器件，同时保持相同的优异的温度响应性。　　剑桥石墨烯中心主任Andrea Ferrari教授说，“这项工作是石墨烯在应用路线图上稳步前进的另一个例子，恩伯顿是一家新公司，专门生产石墨烯光子学和电子学红外光电探测器和热传感器，这项工作例证了基础科学技术如何可以导致迅速的商业化。”Andrea Ferrari是Graphene Flagship的科学技术官员，也是Graphene Flagship管理小组的主席。　　该项目的合作者FrankKoppens教授是 ICFO的量子纳米光电子技术的领导者，并领导Graphene Flagship的光子和光电子工作包。“石墨烯最有前途的应用之一是宽带光电探测和成像，在任何其他现有技术的基础上，在一个材料系统中结合可见光和红外探测是不可能的，Graphene Flagship计划将进一步发展高光谱成像系统，开发石墨烯独特的方向，”他说。　　DanielNeumaier博士(德国AMO)是Graphene Flagship电子和光子学集成部门的领导者，并没有直接参与这项工作。他说：“在过去几年里，红外探测器的市场规模急剧增加，这些设备正在越来越多的应用领域，特别是光谱安全检查变得越来越重要，这需要在室温下的高灵敏度。目前的工作是在满足石墨烯红外探测器的这些要求方面迈出的巨大一步。”相关工作全文发表在Nat. Commun.2017.(DOI: 10.1038/ncomms14311 )上。

p　　据麦姆斯咨询报道，IBM研究人员已研制出吸收光谱平台，可以扩展到红外光谱“指纹区”。IBM公司Thomas J. Watson研究中心的团队展示了一种基于硅光子技术的芯片级光谱仪，对甲烷的探测灵敏度达100ppm。/pp　　p style="TEXT-ALIGN: center"img title="59ffd03c487bc.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201711/noimg/4bf995e7-8ea9-4ed8-97e3-82b78498828a.jpg"//pp　　该平台采用光纤连接1650 nm半导体激光器和砷化镓铟(InGaAs)近红外探测器来探测甲烷浓度，并使用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)。/pp　　这种方式为未来用于气体泄漏检测和废气偷排监测等应用提供低成本、高灵敏度的甲烷探测器解决方案。IBM研究人员表明，光谱范围可以从中红外扩展到8um波长区域，也就是能探测到分子振动的“指纹区”，因此潜在应用范围变得更加广泛了。/pp　　在刚刚出版的Optica论文中，团队谈到“研究结果表明，我们有潜力提供可以量产的、低成本的集成光子芯片传感器，并满足大气中气体成分和污染物测量对灵敏度和分子特性要求。”/ppstrong　　可扩展性问题/strong/pp　　最先进的TDLAS系统已经证明了其探测ppm级气体的能力，手持式设备使用方便，但制造的可扩展性相对缺乏，因此目前想要在大型网络更广泛地部署有难度。/pp　　IBM团队的首席研究员William Green表示，“该方法使用了为光通信应用开发的元器件，对目前数万美元成本的甲烷传感光谱仪来讲，成本大幅降低。此外，由于没有运动部件，也没有精确温度控制的基本要求，这种传感器可以运行多年且几乎不需要维护。”/pp　　典型的用户可能包括石油和天然气公司，他们能够立即发现和测量泄漏，而不再依赖常规的专业检查。/pp　　“在天然气开采和传输过程中，当油井设备故障、阀门卡住或管道出现裂纹时，甲烷会泄漏到空气中，”Green补充道，“我们正在开发方法来使用这种芯片级光谱创建传感器网络，例如可以分布在井场网络。这些传感器的数据由IBM的物理分析软件处理，能自动查明泄漏的位置，并量化泄漏量。”/pp　　虽然甲烷只是构成地球大气层的气体混合物中很小的一部分，但它的温室效应远远强于我们耳熟能详的二氧化碳。据联合国世界气象组织(WMO)的数据，后者的浓度已经上升到800000年来的最高水平。/pp　　WMO在10月30日发布的《温室气体公报》中也提到甲烷浓度已经上升到1853 ppb，相比1984年的1650 ppb水平有所上升，相比工业革命前的水平已经增加两倍。/ppstrong　　倏逝场/strong/pp　　IBM团队的光谱仪设计使用了从长度为10厘米但非常窄的硅波导中逸出的倏逝光，来探测甲烷周围的空气。过去曾采用倏逝波的方法来监测火山气体，其中混合物浓度可以预示火山即将喷发的可能性，还可以用于发现人体呼出气体中细菌感染的迹象。/pp　　IBM团队的Eric Zhang解释：“尽管硅光子学系统，尤其使用折射率变化的传感方法，我们已经深究过。我们工作的创新之处是使用此系统从低浓度甲烷中检测出很弱的吸收信号，以及我们这套传感器芯片对噪声的全面分析和最低的检测限。”/pp　　目前IBM的这套装置用光纤连接，但并没有将激光器或探测器集成到芯片中。该团队正在朝着取消光纤并开发一套完全集成装置的方向努力。/pp　　Green在一份声明中称：“我们的工作表明所有在硅光子制造、封装的知识和元器件设计都可以用于光学传感器，原则是用这些技术创建适用于全新应用的量产、低成本的传感器。”/pp　　从他们的期刊论文结论中可以知道，IBM团队认为光谱仪可以扩展到近红外以外的波长区，他们是这么写的：“事实上，新的波导结构可以避免隐埋氧化物吸收，硅的透明度达8μm，这样光谱仪就适用于中红外范围的分子，芯片级硅光子集成传感器成为用于宽频带、多组分检测的使能平台。”/p/p

通过开发一系列X射线光子计数型HPC探测器，来自捷克的ADVACAM团队积累了大量科研及工业领域的应用经验。探索的脚步从未停止，通过不断开发新的成像解决方案，ADVACAM探测器的能力得到不断提升。例如，WidePIX系列探测器就很好的展现了团队的创新能力。新一代的widepix探测器可广泛用于各行各业，包括矿物分析、临床前医学测试、安检、食品检测、艺术品检测等。WidePIX F：世界上最快的高分辨率工业相机基于光子计数技术，WidePIX F光谱相机拥有颠覆性的X射线成像技术，是目前处于世界领先级别的高性能工业相机。它进一步优化、提升了快速移动物体的扫描能力，是进行矿物分析，矿石分选到食品检测，临床前医学，安检或任何带有传送带系统应用的理想工具。分辨率：55微米-比目前采矿作业中常规使用的系统高20倍。探测速度：高达5米/秒 -食品检查的标准速度约为20厘米/秒，这意味着在同样的时间内，WidePIX F可以比常规方案多扫描25倍的材料。颜色/材料灵敏度：提高灵敏度对于矿石分选至关重要，请参考以下应用。MinningWidePIX可直接观察到矿石的内部结构并区分有价值的矿石和废石。使用WidePIX高分辨成像探测器，矿石通常呈现出微粒或脉络状的典型结构。由于该探测器具有多光谱高灵敏度的特性，可以通过图像中采集到的不同颜色来区分各类矿石。欧洲X-MINE项目Advacam为欧洲采矿项目X-MINE定制光子计数型X射线探测器WidePIX 1X30的结果表明，WidePIX探测器甚至可以分选铜矿石，这是传统的成像系统无法实现的。MedicineWidePIX L探测器还可用于非侵入式医学成像。例如，我们可以制作活体小老鼠的实时X射线影像，观察心跳，所有行为不会对小动物造成任何伤害。Others超快WidePIX探测器，可以在设备保持高速运行的同时（例如发动机，涡轮机等），对快速移动的物体进行X射线检测。Advacam可提供不同规格尺寸的光子计数型X射线探测器，其产品线包括WidePIX系列、MiniPIX系列及AdvaPIX系列，除标准尺寸外也可根据需求定制。相关产品阅读：最新到货—超高性价比教育版辐射粒子探测器MiniPIX EDU来咯！Advacam新品|Widepix 2(1)x10-MPX3探测器：双读出网口，170帧/sADVACAM再添新成员，MiniPIX TPIX3即将面世！ADVACAM辐射检测相机 -应用于粒子追迹Advacam同NASA（美国航空航天局）及ESA（欧洲航空航天局）保持很好的项目合作关系， 其产品及方案也应用于航空航天领域。目前Advacam已将其探测器应用到了多个项目中。相关应用案例：探寻宇宙奥秘的脚步从未停歇，ADVACAM参与研发项目合辑 关于Advacam公司最新合作项目：搭载Minipix探测器，可搜寻辐射的辐射探测无人机使用Widepix 1x5 MPX3 CdTe探测器进行X射线谱学成像Minipix探测器用于NASA未来项目辐射剂量监测

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。

无损检测（NDT）无损检测（NDT）是指在不破坏样品可用性的条件下，对材料、部件或组件的裂缝等不连续性或特性差异进行检查、测试或评估。基于光子计数X射线能谱成像的无损检测技术提供了样品的额外材料信息，以及卓越的对比度和空间分辨率。标准射线照相X射线成像可以提供被检样品的黑白强度或密度图像，如果图像分辨率和信噪比合适，则可观察到何处有缺陷、杂质或裂纹。而基于光子计数X射线能谱成像的无损检测技术提供了样品的材料信息，同时具有良好的对比度和高空间分辨率。光谱信息可以用于区分不同的材料，可识别感兴趣的材料或计算其在样品中的含量。下图是用WidePIX 5x5 CdTe光子计数探测器获取的一张单次曝光的高分辨率谱图像，不同的材料用不同的颜色表示。ADVACAM推出了一系列为复合材料测试而优化的光子计数X射线探测器，探测器对低能段探测也具有优秀的灵敏度和探测效率，同时有很高的动态范围，十分有利于轻质材料，如碳纤维、环氧树脂等的检测。即使是具有挑战性的缺陷，如深层层压褶皱、弱连接、分层、孔隙率、异物和软材料中的微小裂纹，也可以在55μm或更高的空间分辨率下检测到。搭载Advacam探测器的机器人系统进一步扩展了光子计数X射线探测器的功能。轻质材料及复合材料机器人系统正在检查滑翔机副翼，右侧机械臂上装有Advacam探测器。该机器人系统可以从不同角度进行X光检查，以更好地定位缺陷。高帧率的光子计数X射线探测器还可以对样品进行实时检测，可用于质量控制实验室或在生产线上使用。最后得到的X射线图像揭示了副翼内部复合结构有空洞和杂质。X射线光子计数探测器不仅适用于检测轻质材料，基于高灵敏度的 CdTe 传感器（1mm厚）的探测器也可用于焊缝检测。根据ISO 17636-2标准，可以达到Class B的的图像质量。焊缝检查成像质量在带有像质计IQI和DIQI的BAM-5和BAM-25钢焊接试样上，测试WidePIX 1x5 MPX3 光子计数X射线探测器延迟积分TDI模式下的成像质量。TDI模式是探测器操作的其中一种模式，设备会生成沿探测器运动的物体的连续X射线图像。BAM-5 8.3mm钢焊缝BAM-25 6mm 钢焊缝BAM-5样品背面D13线对的信号BAM-5样品背面10FEEN IQI线对用DIQI测量空间分辨率。分辨出的最窄线对是D13（线宽50μm，间距50μm）。探测器对比度用10FEEN像质计测量。置于8.3mm钢制样品背面包括16号线（0.1 mm厚）在内的线都被分辨出来。8.3mm厚BAM-5样品和6 mm厚BAM-25钢的信噪比测量值SNRm分别为148和190。信噪比受限于X射线管功率。探测器具有24位计数器深度，信噪比可高达4000。归一化信噪比SNRn（根据探测器分辨率归一化），6mm厚钢为336，8.3mm厚钢为262。总结 光子计数探测器能够提供更高的灵敏度、空间分辨率、对比度和信噪比；能量范围从 5 keV 到数百 keV 甚至 MeV，可检测非常轻的复合材料到厚的焊接部件。此外，直接转换光子计数型X射线探测器能够进行X射线能量甄别，即，仅高于一定能量的光子会被记录，此方法能够抑制较低能量的散射辐射并提高图像对比度。通过这种X射线新成像技术，可以检测到过去无法通过传统X射线进行无损检测的样品，无损检测设备制造厂家可以将系统中的探测器升级为光子计数X射线探测器，以扩展系统类型和客户群。Advacam S.R.O.源至捷克技术大学实验及应用物理研究所,致力在多学科交叉业务领域提供硅传感器制造、微电子封装、辐射成像相机和X射线成像解决方案。Advacam最核心的技术特点是其X射线探制器（应用Timepix芯片）没有拼接缝隙（No Gap），因此在无损检测、生物医学、地质采矿、艺术及中子成像方面有极其突出的表现。Advacam同NASA（美国航空航天局）及ESA（欧洲航空航天局）保持很好的项目合作关系， 其产品及方案也应用于航空航天领域。北京众星联恒科技有限公司作为捷克Advacam公司在中国区的总代理，也在积极探索和推广光子计数X射线探测技术在中国市场的应用，目前已有众多客户将Minipix、Advapix和Widepix成功应用于空间辐射探测、X射线小角散射、X射线光谱学、X射线应力分析和X射线能谱成像等领域。同时我们也有数台MiniPIX样机，及WidePIX 1*5 MX3 CdTe的样机，我们也非常期待对我们探测器感兴趣或基于探测器应用有新的idea的老师联系我们，我们可以一起尝试做更多的事情。

style type="text/css".TRS_Editor P{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor DIV{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TD{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TH{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor SPAN{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor FONT{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor UL{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor LI{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor A{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }/stylestyle type="text/css".TRS_Editor P{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor DIV{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TD{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TH{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor SPAN{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor FONT{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor UL{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor LI{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor A{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }/stylep　　超导纳米线单光子探测器（SNSPD：Superconducting nanowire single-photon detector）作为一种高性能的单光子探测器，已广泛应用于量子信息、激光雷达、深空通信等领域，有力推动了相关领域的科技发展。/pp　　SNSPD器件主要有两种光耦合方式，一种是垂直光耦合方式，光纤端面平行于SNSPD光敏面，光子垂直入射到纳米线上，采用光学腔体或反射镜结构实现高效光耦合。利用该类耦合结构，中国科学院上海微系统与信息技术研究所已实现NbN基SNSPD系统探测效率超过90%，相关结果发表后受到国内外广泛关注。该光耦合结构的特点是，可以实现高光耦合效率，但受限于光耦合结构，工作波长范围受限。另一种光耦合方式是波导光耦合方式，将纳米线制备在光波导上，可实现高效的本征吸收。但光纤到波导的耦合效率较低，使这类器件仅能作为片上光子学的解决方案，无法作为独立单光子探测器使用。/pp　　上海微系统所/中国科学院超导电子学卓越创新中心尤立星研究员团队和浙江大学教授方伟、童利民团队合作，首次提出微纳光纤耦合的SNSPD器件结构。该结构将SNSPD器件置于微纳光纤的倏逝场内，实现纳米线对微纳光纤中传输的光子吸收。光学计算显示，该类结构有望实现高吸收效率的同时，保持很好地宽谱特性。经过上海微系统所巫博士君杰和浙江大学博士徐颖鑫等近3年实验探索，科研团队研制出微纳光纤耦合SNSPD器件。在1550nm/1064nm工作波长，系统探测效率分别达到20%/50%。相关成果近日发表在emOptics Express/em上，该结果有望在新型SNSPD器件及微纳光纤领域开辟新的研究方向。/pp　　研究工作得到了国家重点研发计划项目“高性能单光子探测技术”、中科院战略性先导科技专项（B）“超导电子器件应用基础研究”、自然科学基金以及上海市科委等的资助。/ppbr//pp style="text-align:center "img alt="" oldsrc="W020171213665024470514.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201712/uepic/bc478657-1ca0-4a06-a7b0-fc3659b0aeca.jpg"//pp style="text-align: center "微纳光纤耦合超导纳米线单光子探测器原理示意图/p

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。

在背景与目标红外辐射量差距不大或背景较为复杂等情况下，传统红外成像技术对目标进行探测与识别的难度较大。而红外偏振探测在采集目标与背景辐射强度的基础上，还获取了多一维度的偏振信息，因此在探测隐藏、伪装和暗弱目标和复杂自然环境中人造目标的探测和识别等领域，有着传统红外探测不可比拟的优势。但同时，偏振装置的加入也增加了成像系统的复杂度与制作成本，且对于远距离成像，在红外成像系统前加入偏振装置对成像系统的探测距离有多大的影响，也有待进一步的研究论证。据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院红外探测与成像技术重点实验室和中国科学院大学的科研团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“考虑探测器非理想性的红外偏振成像系统作用距离分析”为主题的文章。该文章第一作者为谭畅，主要从事红外偏振成像仿真方面的研究工作；通讯作者为王世勇研究员，主要从事红外光电系统技术、红外图像信号处理方面的研究工作。本文将从分析成像系统最远探测距离的角度出发，对成像系统的探测能力进行评估。综合考虑影响成像系统探测能力的各个因素，参考传统红外成像系统作用距离模型，基于系统的偏振探测能力，建立了红外偏振成像系统的作用距离模型，讨论了偏振装置非理想性对系统探测能力的影响，并设计实验验证了建立模型的可靠性。红外成像系统作用距离建模目前较为公认的对扩展源目标探测距离进行估算的方法是MRTD法。该方法规定，对于空间频率为f的目标，人眼通过红外成像系统能够观察到该目标需要满足两个条件：①目标经过大气衰减到达红外成像系统时，其与背景的实际表观温差应大于或等于该频率下的成像系统最小可分辨温差MRTD（f）。②目标对系统的张角θT应大于或等于相应观察要求所需要的最小视角。只需明确红外成像系统的各项基本参数与观测需求，我们就可以计算出系统的噪声等效温差与最小可分辨温差，进而求解出它的最远探测距离。红外偏振成像系统作用距离建模偏振成像根据成像设备的结构特性可分为分振幅探测、分时探测、分焦平面探测和分孔径探测。其中分时探测具有设计简单容易计算等优点，但只适用于静态场景；分振幅探测可同时探测不同偏振方向的辐射，但存在体积庞大、结构复杂，计算偏振信息对配准要求高等问题；分孔径探测也是同时探测的一种方式，且光学系统相对稳定，但会带来空间分辨率降低的问题；分焦平面偏振探测器具有体积小、结构紧凑、系统集成度高等优势，可同时获取到不同偏振方向的偏振图像，是目前偏振成像领域的研究热点，也是本文的主要研究对象。图1为分焦平面探测系统示意图。图1 分焦平面探测器系统示意图本文仿真的分焦平面偏振探测器，是在红外焦平面上集成了一组按一定规律排列的微偏振片，一个像元对应着一个微偏振片，其角度分别为 0°、45°、90°和135°，相邻的2×2个微像元组成一个超像元，可同时获取到四种不同的偏振态。图1为分焦平面探测系统结构示意图。传统方法认为在红外成像系统前加入偏振装置后，会对系统的噪声等效温差与调制传递函数MTF（f）产生影响，改变系统的最小可分辨温差，进而改变系统的最远探测距离。本文将从偏振装置的偏振探测能力出发，分析成像系统的最小可分辨偏振度差，建立红外偏振成像系统的探测距离模型。我们首先建立一个探测器偏振响应模型，该模型将探测器视为一个光子计数器，光子被转换为电子并在电容电路中累积，综合考虑探测器井的大小、偏振片消光比、信号电子与背景电子的比率以及入射辐射的偏振特性，通过应用误差传播方法对结果进行处理。从噪声等效偏振度（NeDoLP）的定义出发，NeDoLP是衡量偏振探测器探测能力的指标，即探测器对均匀极化场景成像时产生的标准差。对其进行数学建模，进而分析得到红外偏振成像系统的最远探测距离。图2 DoLP随光学厚度变化曲线对于探测器来说，积分时间越长，累积的电荷越多，探测器的信噪比（SNR）就越高，但这种增加是有限度的。随着积分时间的增加，光生载流子有更多的时间被收集，增加信号。然而，同时，暗电流及其相关噪声也会增加。对于给定的探测器，最佳积分时间是在最大化信噪比和最小化暗电流及噪声的不利影响之间取得平衡，为方便分析，我们假设探测器工作在“半井”状态下。通过以下步骤计算红外偏振成像系统最远作用距离：a. 根据已知的目标和背景偏振特性以及环境条件，计算在给定距离下，目标与背景之间的偏振度差在传输路径上的衰减。b. 结合系统的探测器性能参数，确定目标在给定距离下是否可被观察到。如果不能则减小设定的距离。目标被观察到需同时满足衰减后的偏振度差大于或等于系统对应于该频率的最小可分辨偏振度差MRPD，目标对系统的张角θT大于或等于相应观察要求所需要的最小视场角。c. 逐步增加距离，直到目标与背景之间的偏振度差不再满足观察要求。这个距离即为成像系统最远作用距离。τp (R)为大气对目标偏振度随探测距离的衰减函数，可根据不同的天气条件，根据已有的测量数据进行插值，计算出不同探测距离下大气对目标偏振度的衰减，图4. 5给出了根据文献中测量数据得到的偏振度随光学厚度增加衰减关系图。这里给出的横坐标是光学厚度，不同天气条件下，光学厚度对应的实际传播距离与介质的散射和吸收系数有关。综上，我们建立了传统红外成像系统和考虑了偏振片非理想性的红外偏振成像系统的作用距离模型，下面我们将对模型的可靠性进行验证，分析讨论探测器各参数对成像系统探测能力的影响。验证与讨论由噪声等效偏振度的定义可知，其数值越小，代表偏振探测器的性能越优秀。下面我们对影响红外偏振成像系统探测性能的各因素进行讨论，并设计实验验证本文建立模型的正确性。偏振片消光比消光比是衡量偏振片性能的重要参数，市售的大面积偏振片的消光比可以超过200甚至更多。对其他参数按经验进行赋值，从图3可以看到，对于给定设计参数的探测器，偏振片消光比超过20后，随着偏振片消光比的增加，探测器性能上的提升微乎其微。对于分焦平面探测器，为实现更高的消光比，不可避免地要牺牲探测器整体辐射通量。由于辐射通量降低而导致的信噪比损失可能远远超过消光比增加所获得的收益。这一结果同样可以对科研人员研制偏振片提供启发，对需要追求高消光比的偏振片来说，增大透光轴方向的最大透射率要比降低最小透射率更有益于成像系统的性能。图3 偏振片消光比与探测器噪声等效偏振度关系图探测器井容量红外探测器的井容量是指探测器像素在饱和之前能够累积的电荷数量的最大值。井容量是衡量红外探测器性能的一个关键参数，井容量通常以电子数（e-）表示。较大的井容量意味着探测器可以在饱和之前存储更多的电荷，从而能够在更大的亮度范围内准确检测信号。这对于在具有广泛亮度变化的场景中捕获清晰图像至关重要。从图4可以看出，增大探测器井的容量，同样能很好的提高成像系统的偏振探测能力。图4 探测器井容量与探测器噪声等效偏振度关系图然而，井容量的增加可能会导致像素尺寸增大或探测器面积减小，这可能对系统的整体性能产生负面影响。因此，在设计红外探测器时，需要权衡井容量、像素尺寸和其他性能参数，以实现最佳性能。目标偏振度虽然推导出的噪声等效偏振度公式包含目标偏振度这一参量，但目标的偏振度本身对探测器的噪声等效偏振度没有直接影响。NeDolp 是一个衡量探测器性能的参数，它主要受探测器内部噪声、电子学和其他系统组件的影响。然而，目标的偏振度会影响探测器接收到的信号强度，从而影响信噪比（SNR）。从图5也可以看出，探测器的NeDolp受目标的偏振度影响不大。图5 目标偏振度与探测器噪声等效偏振度关系图读取噪声与产生复合噪声比值读取噪声主要来自于探测器的读出电路、放大器和其他电子元件。它通常在整个光强范围内保持相对恒定。产生复合噪声是由光子的随机到达和电荷生成引起的，与光子数成正比。在低光强下，产生复合噪声通常较小；而在高光强下，它会逐渐变大。通过计算读取噪声和产生复合噪声的比值，可以确定系统的性能瓶颈。如果读取噪声远大于产生复合噪声，这意味着系统在低光强下受到读取噪声的限制。在这种情况下，优化读出电路和放大器等元件可能会带来性能提升。如果产生复合噪声远大于读取噪声，这意味着系统在高光强下受到产生复合噪声的限制。在这种情况下，提高信号处理和光子探测效率可能有助于改善性能。从图6可以看出，降低读取噪声与产生复合噪声比值可以有效提升系统偏振探测能力。图6 δ与探测器噪声等效偏振度关系图信号电子比例综合图4~6可以看出，提升β的数值可有效提高探测器的偏振探测能力，由β的定义可知，对于确定井容量的探测器，β的取值主要取决于探测器的各种噪声与积分时间，降低探测器的工作温度、优化探测器结构、减少表面和界面缺陷等途径都可以降低探测器的噪声，调节合适的积分时间也有助于探测系统的性能提升。实验验证根据噪声等效偏振度的定义，利用面源黑体与红外可控部分偏振透射式辐射源创建一组均匀极化场景。如下图7所示，黑体发出的红外辐射，经过两块硅片，发生四次折射，产生了偏振效应，通过调节硅片的角度，即可产生不同线偏振度的红外辐射。以5°为间隔，将面源黑体平面与硅片间的夹角调为10°~40°共七组。每组将面源黑体设置为40℃和70℃两个温度，用国产自主研制的红外分焦平面偏振探测器采取不少于128帧图像并取平均，然后将每组两个温度下相同角度获得的图像作差，以减少实验装置自发辐射和反射辐射对测量结果的干扰，差值图像就是透射部分的红外偏振辐射。对差值图像进行校正和去噪后，即可按公式计算出探测器对均匀极化场景产生的偏振度图像。计算出红外辐射的线偏振度，为减小测量误差，仅取图像中心区域的像元进行分析。该区域像元的标准差就是该成像系统的噪声等效偏振度（NeDoLP）。探测器具体参数如表1所示。图7 实验示意图表1 偏振探测器参数利用本文建立的探测器仿真模型计算出硅片的线偏振度仿真值，公式19计算出硅片线偏振度的理论值，与实验的测量值进行对比，图8展示了三组数据的变化曲线，从图中可以看出，三组数据存在一定偏差，这可能与硅片调节角度误差、面源黑体稳定性、干涉效应、硅片摆放是否平行等因素有关，但在误差允许的范围内，实验验证了偏振探测系统的性能，也证明了本文建立仿真模型的可靠性。NeDoLP测量结果如表2所示。图8 线偏振度理论值、测量值与本文模型仿真值曲线图表2 实验结果从上表可以看到NeDoLP的测量值与仿真值的差值基本能控制在5%以内，实验结果再次印证了本文设计的模型的可靠性。实例计算应用建立的模型对高2.3m，宽2.7m，温度47℃，发射率为1的目标的最远探测距离进行预测，目标差分温度6℃；背景温度27℃；发射率1；目标偏振度30%，背景偏振度1%，使用3.2节中样机的探测器参数，最后，采用文献中介绍的“等效衰减系数-距离”关系的快速逼近法对红外探测系统最远作用距离R进行求解，得到表3的结果。表3 红外成像系统的最远作用距离根据红外探测系统最远探测距离，利用本文第二节提出的方法，得到不同探测概率下红外偏振成像系统最远作用距离结果如表4所示。表4 红外偏振成像系统的最远作用距离所选例子为目标与背景偏振度差异大于其温差，所以在这种探测场景下红外偏振成像系统的探测能力要优于红外成像系统。探测器的参数不同，探测场景与目标的变化都会对模型的结果产生影响，但本文提供的成像系统作用距离模型可为实际探测中不同应用场景下的成像系统选择提供参考。结论针对不同的探测场景，红外成像系统与红外偏振成像系统在最远探测距离方面哪个更有优势并没有定论，探测目标的大小，背景与目标的温差与偏振度差，大气透过率，具体探测器的参数等因素都会对成像系统的最远探测距离产生影响。经实验验证，本文所建立的非理想红外偏振成像系统的响应模型是可靠的，可以用于估算成像系统的最远作用距离，针对不同的探测场景，读者可通过实验确定探测器的具体性能参数，利用仿真软件或实验测量的方式获取探测目标的温度与偏振信息，明确探测环境的具体大气参数，利用模型对红外成像系统与偏振成像系统的最远作用距离进行预估，选择更具优势的成像系统。这项研究获得上海市现场物证重点实验室基金（No. 2017xcwzk08）和上海技术物理研究所创新基金（No. CX-267）的资助和支持。论文链接：http://journal.sitp.ac.cn/hwyhmb/hwyhmbcn/article/abstract/2023041

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。

光电探测器的原理是由辐射引起被照射材料电导率发生改变。光电探测器的工作原理是基于光电效应，热探测器基于材料吸收了光辐射能量后温度升高，从而改变了它的电学性能，它区别于光子探测器的最大特点是对光辐射的波长无选择性。 　　为了提高传输效率并且无畸变地变换光电信号，光电探测器不仅要和被测信号、光学系统相匹配，而且要和后续的电子线路在特性和工作参数上相匹配，使每个相互连接的器件都处于最佳的工作状态。 　　具有宽带探测能力的光电探测器在我们日常生活的许多领域中发挥着重要作用，并已广泛应用于成像、光纤通信、夜视等领域。迄今为止，基于传统材料的光电探测器如：GaN 、Si 和 InGaAs占据着从紫外到近红外区域的光电探测器市场。 　　然而，相关材料复杂的生长过程和高昂的制造成本阻碍了这些探测器的进一步发展。为了应对这些挑战，人们一直在努力开发具有可调带隙、强光-物质相互作用且易于集成的二维材料光电探测器。 　　如今，许多二维材料如石墨烯、黑磷和碲等已经表现出优异的宽带光探测能力。尽管如此，目前基于二维材料的高性能宽带光电探测器数量仍然有限，特别是许多基于二维材料的光电探测器虽然表现出较高的光响应度和探测率，但响应速度较慢，这可能归因于其较长的载流子寿命，这种较低的响应速度限制了二维光电探测器的实际应用。 　　最近，石墨烯、黑磷和部分过渡金属二硫属化物(TMDs)范德华异质结器件已经展现出二维材料在高速宽带光电探测领域的潜力。然而，石墨烯是一种零带隙材料，黑磷在环境条件下并不稳定，TMDs异质结的制造工艺相对复杂，这些问题同样限制了这些材料在光电探测领域的应用。 　　鉴于此，中科院合肥研究院固体所纳米材料与器件技术研究部李广海研究员课题组李亮研究员与香港理工大学应用物理系严锋教授合作，开发了一种基于层状三元碲化物InSiTe3的光电探测器，合成出高质量的InSiTe3晶体，并通过拉曼光谱分析了其拉曼振动模式。InSiTe3的间接带隙可以从1.30 eV(单层)调节到0.78 eV(体块)。 　　此外，基于InSiTe3的光电探测器表现出从紫外到近红外光通信区域(365-1310 nm)的超快光响应(545-576 ns)，最高探测率达到7.59×109 Jones。这些出色的性能价值凸显了基于层状InSiTe3的光电探测器在高速宽带光电探测中的潜力。 　　论文第一作者为纳米材料与器件技术研究部博士生陈家旺。该工作得到了国家自然科学基金、安徽省领军人才团队项目、安徽省自然科学基金、安徽省先进激光技术实验室开放基金和香港理工大学基金的支持。

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

红外辐射(760nm-30μm)作为电磁波的一种，蕴含着物体丰富的信息。红外光电探测器在吸收物体的红外辐射后，通过光电转换、电信号处理等手段将携带物体辐射特征的红外信号可视化。其具有全天候观测、抗干扰能力强、穿透烟尘雾霾能力强、高分辨能力的特点，在国防、天文、民用领域扮演着重要的角色，是当今信息化时代发展的核心驱动力之一，是信息领域战略性高技术必争的制高点。众所周知，波长、强度、相位和偏振是构成光的四大基本元素。其中，光的偏振维度可以丰富目标的散射信息，如表面形貌和粗糙度等，使成像更加生动、更接近人眼接收到的图像。因此偏振成像在目标-背景对比度增强、水下成像、恶劣天气下探测、材料分类、表面重建等领域有着重要应用。在短波红外领域，InGaAs/InP材料体系由于其带隙优势，低暗电流，和室温下的高可靠性已经得到了广泛的应用。目前，一些关于短波偏振探测技术的研究已经在平面型InGaAs/InP PIN探测器上开展。然而，平面结构中所必须的扩散工艺导致的电学串扰使得器件难以向更小尺寸发展。同时，平面结构中由对准偏差导致的偏振相关的像差效应也不可避免。与平面结构相比，深台面结构在物理隔离方面具有优势，具有克服上述不足的潜力。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心E03组长期从事化合物半导体材料外延生长与器件制备的研究。E03组很早就开始了对近红外及短波红外探测器材料与器件的研究，曾研制出超低暗电流的硅基肖特基结红外探测器【Photonics Research, 8, 1662(2020)】，研究过短波红外面阵探测器小像元之间的暗电流抑制及串扰问题【Results in Optics, 5, 100181 (2021)】等。最近，E03组研究团队的张珺玚博士生在陈弘研究员，王文新研究员，邓震副研究员地指导下，针对光的偏振成像，并结合亚波长光栅制备技术，片上集成了一种台面型InGaAs/InP基PIN短波红外偏振探测器原型器件。该原型器件具有的深台面结构可以有效地防止电串扰，使其潜在地实现更小尺寸短波红外偏振探测器的制备。图1是利用湿法腐蚀和电子束曝光等微纳加工技术制备红外探测器及亚波长光栅的工艺流程。图2和图3分别是制备完成后的红外探测器光学显微镜图片和不同取向的亚波长光栅结构SEM图片。图1. 集成有亚波长Al光栅的台面型InGaAs PIN基偏振探测器的工艺流程示意图。图2. 两种台面尺寸原型器件的光学显微镜图片 (a) 403 μm×683 μm (P1), (b) 500 μm×780 μm (P0)。图3. 四种角度 (a) 0°, (b) 45°, (c) 90°, (d) 135° Al光栅形貌。图4是不同台面尺寸的P1和P0器件(无光栅)在不同条件下的J-V特性曲线和响应光谱。在1550 nm光激发，-0.1 V偏压下，P1和P0器件的外量子效率分别为 63.2% and 64.8%，比探测率D* 分别达到 6.28×1011 cm？Hz1/2/W 和6.88×1011 cm？Hz1/2/W，表明了原型器件的高性能。图4. InGaAs PIN原型探测器(无光栅)的J-V特性曲线和响应光谱。(a) 无光照下，P1和P0的暗电流密度Jd-V特性曲线；不同入射光功率下，(b) P1和(c) P0的光电流密度Jph-V特性曲线，插图是-0.1V下光电流密度与入射光功率之间的关系曲线； (d) P1和P0的响应光谱曲线。图5表明器件的偏振特性。从图5可以看出，透射率随偏振角度周期性变化，相邻方向间的相位差在π/4附近，服从马吕斯定律。此外， 0°, 45°, 90°和135°亚波长光栅器件的消光比分别为18:1、18:1、18:1和20:1，TM波透过率均超过90%，表明该偏振红外探测器件具有良好的偏振性能。图5. (a) 1550 nm下，无光栅器件和0°, 45°, 90°和135°亚波长光栅器件的电学信号随入射光极化角度的变化关系；(b) 光栅器件透射谱。综上所述，研究团队制备的台面结构InGaAs PIN探测器，其响应范围为900 nm -1700 nm，在1550 nm和-0.1 V (300K) 下的探测率为6.28×1011 cmHz1/2/W。此外，0°，45°，90°和135°光栅的器件均表现出明显的偏振特性，消光比可达18:1，TM波的透射率超过90%。上述的原型器件作为一种具有良好偏振特性的台面结构短波红外偏振探测器，有望在偏振红外探测领域具有潜在的广泛应用前景。近日，相关研究成果以题“Opto-electrical and polarization performance of mesa-structured InGaAs PIN detector integrated with subwavelength aluminum gratings”发表在Optics Letters【47，6173(2022)】上，上述研究工作得到了基金委重大、基金委青年基金、中国科学院青年创新促进会、中国科学院战略性先导科技专项、怀柔研究部的资助。另外，感谢微加工实验室杨海方老师在电子束曝光等方面的细心指导和帮助。物理所E03组博士研究生张珺玚为第一作者。

近日，大连化物所二维热电材料研究组（DNL2104组）陆晓伟副研究员、姜鹏研究员、包信和院士团队在高灵敏、低功耗人体红外热辐射探测器研制及其在非接触人机交互系统中的应用方面取得新进展。人体自发热辐射主要位于长波红外（8至14 μm）波段，呈现出光子能量低（~0.1 eV）、光强弱（~5 mw/cm2）等特点。实现人体红外热辐射的高灵敏探测，对构建低功耗、非接触人机交互系统具有重要意义。作为一种热敏型探测器，光热电探测器是基于光热转换、热电转换两个能量转换过程，具有光谱响应范围宽、无需制冷、功耗低等优点。目前，商业的光热电探测器通常采用分立式的热电堆结构，需要复杂的MEMS微机械加工制备工艺，且在探测人体热辐射时，其输出电压相对较小（数十至数百微伏），需要额外的高信噪比信号采集电路。本工作中，该研究团队突破传统热电堆材料和构架的限制，构建了基于SrTiO3-x/CuNi异质界面结构的一体式热电堆。该异质界面结构一方面将SrTiO3-x高的Seebeck系数（-737 μV/K）与CuNi高的电导率（5×105 S/m）协同耦合，在降低器件内阻的同时，可保持高的电压输出；另一方面，通过结合声子共振吸收和自由载流子吸收，该异质结展现出优异的吸光能力，其在长波红外波段的吸光率最高可达98%。结合这些优势，基于SrTiO3-x/CuNi的热电堆在探测人体辐射时展现出高灵敏度、低噪音、高稳定性等特征，其输出电压最高可达13 mV，相比商业热电堆有数量级的提升。通过进一步构建热电堆阵列，团队还实现了实时手势识别、非接触式数字/字母输入等功能。该研究为开发低功耗非接触人机交互系统提供了新思路，在人工智能技术、公共卫生安全领域具有广阔的实际应用价值。相关研究成果以“SrTiO3/CuNi Heterostructure-based Thermopile for Sensitive Human Radiation Detection and Noncontact Human-machine Interaction”为题，发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。上述工作得到国家自然科学基金、中国科学院创新交叉团队、大连化物所创新基金等项目的资助。

近日，大连化物所二维热电材料研究组（DNL2104组）陆晓伟副研究员、姜鹏研究员、包信和院士团队在高灵敏、低功耗人体红外热辐射探测器研制及其在非接触人机交互系统中的应用方面取得新进展。人体自发热辐射主要位于长波红外（8至14 μm）波段，呈现出光子能量低（~0.1 eV）、光强弱（~5 mw/cm2）等特点。实现人体红外热辐射的高灵敏探测，对构建低功耗、非接触人机交互系统具有重要意义。作为一种热敏型探测器，光热电探测器是基于光热转换、热电转换两个能量转换过程，具有光谱响应范围宽、无需制冷、功耗低等优点。目前，商业的光热电探测器通常采用分立式的热电堆结构，需要复杂的MEMS微机械加工制备工艺，且在探测人体热辐射时，其输出电压相对较小（数十至数百微伏），需要额外的高信噪比信号采集电路。本工作中，该研究团队突破传统热电堆材料和构架的限制，构建了基于SrTiO3-x/CuNi异质界面结构的一体式热电堆。该异质界面结构一方面将SrTiO3-x高的Seebeck系数（-737 μV/K）与CuNi高的电导率（5×105 S/m）协同耦合，在降低器件内阻的同时，可保持高的电压输出；另一方面，通过结合声子共振吸收和自由载流子吸收，该异质结展现出优异的吸光能力，其在长波红外波段的吸光率最高可达98%。结合这些优势，基于SrTiO3-x/CuNi的热电堆在探测人体辐射时展现出高灵敏度、低噪音、高稳定性等特征，其输出电压最高可达13 mV，相比商业热电堆有数量级的提升。通过进一步构建热电堆阵列，团队还实现了实时手势识别、非接触式数字/字母输入等功能。该研究为开发低功耗非接触人机交互系统提供了新思路，在人工智能技术、公共卫生安全领域具有广阔的实际应用价值。相关研究成果以“SrTiO3/CuNi Heterostructure-based Thermopile for Sensitive Human Radiation Detection and Noncontact Human-machine Interaction”为题，发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。上述工作得到国家自然科学基金、中国科学院创新交叉团队、大连化物所创新基金等项目的资助。文章链接：https://doi.org/10.100 2 /adma.202204355