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特邀作者：陳智超
南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院
光電探測器通過光電效應(yīng)，將可見光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào)，再經(jīng)過放大電路和控制模塊的作用，就將這個(gè)紛繁精彩的世界呈現(xiàn)在我們的眼前。
隨著信息時(shí)代的飛速發(fā)展，信息傳播與人類生活密切相關(guān)，而光信號(hào)則被廣泛用作傳播信息的載體。在信息傳播的終端，需要將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，以便于進(jìn)行信息的處理與存儲(chǔ)，而光電探測器作為能夠進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化的元器件，在光電系統(tǒng)中有著大量重要的應(yīng)用。
美佩洛西公然躥臺(tái)后，中國人民解放軍為捍衛(wèi)國家尊嚴(yán)，捍衛(wèi)祖國領(lǐng)土完整，舉行了史無空前的大規(guī)模圍臺(tái)軍演，飛機(jī)轟鳴，導(dǎo)彈掠過，這不僅僅讓臺(tái)獨(dú)分子們戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢，更提醒我們光電探測器在軍用領(lǐng)域的作用不容小覷，軍用導(dǎo)彈的制導(dǎo)方式是以紅外制導(dǎo)為主，同時(shí)為了提高導(dǎo)彈的抗紅外干擾能力，引入了紫外制導(dǎo)和紅外制導(dǎo)共同作用的雙色制導(dǎo)方式，這使得導(dǎo)彈可以適應(yīng)更加復(fù)雜的電子對(duì)抗環(huán)境，準(zhǔn)確地探測出定位光源，從而大大地提升導(dǎo)彈的命中能力。
在醫(yī)療領(lǐng)域，隨著新冠疫情的爆發(fā)，無接觸式體溫檢測成為切斷病毒傳播途徑，保障生命安全的一大保障。紅外光電探測器能夠檢測出人體發(fā)出的紅外光強(qiáng)度，從而正確判斷出人體的溫度，為疫情防控作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。同時(shí)在成像領(lǐng)域，光電探測器是CMOS圖像傳感器的核心元件之一，能夠通過光電效應(yīng)，將相應(yīng)的可見光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào)，再經(jīng)過放大電路和控制模塊的作用，就將這個(gè)紛繁精彩的世界呈現(xiàn)在我們的眼前。
光電探測器工作原理
光電探測器在光通信系統(tǒng)中對(duì)于將光轉(zhuǎn)變成電起著重要作用，這主要是基于半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)，所謂的光生伏特效應(yīng)是指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。要了解光電探測器的工作原理。我們首先需要知道光電導(dǎo)效應(yīng)，光電導(dǎo)效應(yīng)是指在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化。即當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若這個(gè)光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光電材料價(jià)帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象，光子作用于光電導(dǎo)材料，形成本征吸收或雜質(zhì)吸收，產(chǎn)生附加的光生載流子，從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，從而完成光到電的轉(zhuǎn)化。
光電探測器的基本工作機(jī)理包括三個(gè)過程：1.光生載流子在光照下產(chǎn)生；2.載流子擴(kuò)散或漂移形成電流；3.光電流在放大電路中放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。當(dāng)探測器表面有光照射時(shí)，如果材料禁帶寬度小于入射光光子的能量即<hv，則價(jià)帶電子可以躍遷到導(dǎo)帶形成光電流。
光電探測器的發(fā)展方向
自驅(qū)動(dòng)光電探測器
近年來，隨著石油，天然氣等資源的逐漸稀缺，人們意識(shí)到了節(jié)能減碳的重要性，因此對(duì)于電子元器件的發(fā)展提出了低能耗的要求。在這個(gè)背景之下，自驅(qū)動(dòng)光電探測器的概念便孕育而生。自驅(qū)動(dòng)光電探測器指的是器件在無需外加偏壓的情況下即可對(duì)入射光作出響應(yīng)，獲得響應(yīng)電流。其原理是利用pn結(jié)或者是肖特基結(jié)的內(nèi)建電場分離電子空穴對(duì)，并且驅(qū)動(dòng)載流子向電極運(yùn)動(dòng)，從而形成電流。自驅(qū)動(dòng)光電探測器符合電子元器件小型化，集成化和低功耗的發(fā)展趨勢，成為了近年來的研究重點(diǎn)。如圖為深圳大學(xué)屈軍樂教授等人在《Nano Energy》上提出的新型鈣鈦礦自驅(qū)動(dòng)光電探測器原理示意圖。
表面等離子體共振效應(yīng)的應(yīng)用
在光電探測器中利用表面等離子體共振效應(yīng)可以有效地增強(qiáng)器件的光吸收，擴(kuò)展器件的光吸收譜，從而產(chǎn)生更多的電子空穴對(duì)，提高器件的響應(yīng)電流，并且共振波長能夠被金屬納米結(jié)構(gòu)的介電環(huán)境，尺寸和形狀所改變，從而調(diào)節(jié)吸收波段。規(guī)律性分布的金屬納米結(jié)構(gòu)，如孔陣列或者柵線等，能夠和光發(fā)生相互作用，從而提升器件的光吸收能力。除此之外，從圖中能夠看出在金屬納米粒子的表面存在著大量自由振蕩的電子，并且其具有一定的頻率，當(dāng)這個(gè)頻率與入射光的頻率相等時(shí)，那么在金屬納米粒子表面的局部區(qū)域內(nèi)光子與電子發(fā)生共振，從而大大地增強(qiáng)了器件對(duì)光的吸收。后者的激發(fā)條件比較簡單，即金屬納米粒子的大小應(yīng)小于入射光的波長，且改變其大小能夠調(diào)控共振波段，因此可調(diào)節(jié)性更好，應(yīng)用更加靈活，被廣泛地用于加強(qiáng)器件的性能。
與CMOS兼容的硅基波導(dǎo)型光電探測器
硅基波導(dǎo)型光電探測器作為一類重要的光電探測器, 由于其能與標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS 工藝兼容以及制備工藝簡單等性能, 因而在光電子單片集成方面具備廣闊的市場應(yīng)用前景。
由于硅基光子學(xué)能夠利用現(xiàn)已大規(guī)模應(yīng)用的微電子工藝線, 使得其具備了很好的成本優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景, 尤其是近年來國外各大研究機(jī)構(gòu)在此領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)展。迄今為止,一系列的硅光子器件比如低損耗光波導(dǎo)、光衰減器、光波分復(fù)用/解復(fù)用器、硅激光器等被相繼報(bào)道。2006年Intel和加州大學(xué)洛杉磯分校宣布研究成功世界上第一支混合型 Si-InP 激光器。2022年浙江大學(xué)的葉鵬、肖涵等人，制作出了具有超高響應(yīng)度和比探測率的Si-CMOS兼容2D PtSe2基自驅(qū)動(dòng)光電探測器，這種二硒化鉑/超薄二氧化硅/硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電探測器具有高性能、空氣穩(wěn)定、自驅(qū)動(dòng)、室溫寬帶等優(yōu)異性能。
利用硅器件技術(shù)制作p-n和p-i-n二極管型的光電探測器早已實(shí)現(xiàn), 這種探測器的峰值響應(yīng)大約在700nm，適合用于光通信中的850nm波段的探測；缺點(diǎn)是無法應(yīng)用現(xiàn)今光通信的波段1550nm，不能實(shí)現(xiàn)微電子與光波回路進(jìn)行集成。一種解決的方法是通過把Ⅲ -Ⅴ族探測器通過鍵合的方式集成在硅集成光路上；另一種解決方法是通過離子注入形成深能級(jí)缺陷,利用缺陷吸收來實(shí)現(xiàn)硅對(duì) 1550nm 波長的探測。近年來國外幾個(gè)研究機(jī)構(gòu)利用該方法制備的硅1550nm光電探測器性能上有了極大改善。除了通過離子注入引入深能級(jí)缺陷制作硅基光電探測器，使用Ge/Si異質(zhì)結(jié)、AlGaInAs-Si混合集成等方法也是國內(nèi)外制作硅基光電探測器的常用手段。
中國及全球光電探測器行業(yè)市場現(xiàn)狀分析
我們結(jié)合國內(nèi)外光電探測器相關(guān)刊物的基礎(chǔ)信息以及光電探測器行業(yè)研究單位提供的詳實(shí)資料，結(jié)合深入的市場調(diào)研資料，立足于當(dāng)前全球及中國宏觀經(jīng)濟(jì)、政策、主要行業(yè)的對(duì)光電探測器行業(yè)的影響，并對(duì)未來光電探測器行業(yè)的發(fā)展趨勢和前景進(jìn)行分析和預(yù)測。
硅基光電探測器全球市場
硅基光電探測器在本文內(nèi)是指硅漂移檢測器（SDD）和硅光電倍增管（SiPM）。全球硅基光電探測器主要廠商有Hamamatsu、ON Semiconductor、Broadcom、First Sensor、AdvanSiD等，全球前五大廠商共占有大約75%的市場份額。
目前北美是全球最大的硅基光電探測器市場，占有大約40%的市場份額，之后是中國和歐洲市場，二者共占有超過35%的份額。2020年，全球硅基光電探測器市場規(guī)模達(dá)到了830萬美元，預(yù)計(jì)2026年可以達(dá)到1300萬美元，年復(fù)合增長率(CAGR)為6.9% (2021-2027)。與此同時(shí)、中國市場規(guī)模增長快速，預(yù)計(jì)在未來6年內(nèi)的增長率有望比肩全球市場。
光譜儀光電探測器市場現(xiàn)狀
而針對(duì)光譜儀光電探測器的市場。全球光譜儀用光電探測器（Photodetector for Spectrometer）的核心廠商包括Hamamatsu、trinamiX和InfraTec等，前三大廠商約占有全球50%的份額。同樣北美也是全球最大的市場，占有大約40%的市場份額，之后是亞太和歐洲，均占比接近30%。從產(chǎn)品角度來看，近紅外線波段是最大的細(xì)分，份額約為30%，其次是遠(yuǎn)紅外線波段，份額約為20%。從應(yīng)用方面來看，醫(yī)療是最大的下游市場，約占40%的份額，其次是食品，約占20%的份額。
綜上所述，筆者認(rèn)為隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，光電探測器在國內(nèi)的受重視程度會(huì)逐年提升，同時(shí)中國市場占全球光電探測器市場的份額也會(huì)相應(yīng)增加，而在國內(nèi)市場中，以硅基光電探測器、兼容CMOS的III-V光電探測器為代表的新型高效能光電探測器的發(fā)展前景非常廣闊，從長遠(yuǎn)來看，中國在全球光電探測器市場占有一席之地似乎也并非遙不可及的夢(mèng)想。
世界科企先進(jìn)進(jìn)展
2008年12月7日，英特爾公司宣布其研究團(tuán)隊(duì)在硅光電子學(xué)領(lǐng)域取得了又一項(xiàng)重大的技術(shù)突破，成功使用基于硅的雪崩光電探測器（Silicon-based Avalanche Photodector）實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)世界紀(jì)錄的高性能，這款雪崩光電探測器使用硅和CMOS 工藝實(shí)現(xiàn)了有史以來最高的340GHz"增益-帶寬積"，這為降低40Gbps或更高數(shù)據(jù)傳輸速度的光學(xué)鏈路的成本開啟了大門，同時(shí)也第一次證明了硅光電子元器件的性能可以超過現(xiàn)有的使用磷化銦（lnP）等更昂貴傳統(tǒng)材料制造的光電子元器件的性能。作為一項(xiàng)新興技術(shù)，硅光電子學(xué)（Silicon Photonics）利用標(biāo)準(zhǔn)硅實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和其它電子設(shè)備之間的光信息發(fā)送和接收。此項(xiàng)技術(shù)也可以應(yīng)用于對(duì)帶寬需求高度遠(yuǎn)程醫(yī)療和3D虛擬世界等未來數(shù)據(jù)密集型計(jì)算領(lǐng)域。
日本研制成高性能256×256長波量子點(diǎn)紅外光電探測器
量子點(diǎn)紅外光電探測器（QDIP）由于可以用成熟的常規(guī)GaAs工藝制備，近年來已受到人們的廣泛關(guān)注。它不僅能夠探測正入射光，而且還能在較高的溫度下工作。這些都是量子阱紅外光電探測器（QWIP）所難以比擬的。
日本國防部技術(shù)研究與發(fā)展研究所電子系統(tǒng)研究中心通過與富氏實(shí)驗(yàn)室有限公司等單位合作，用以分子束外延方法生長的自組裝量子點(diǎn)多層膜研制出了一種 256×256 像素長波紅外 QDIP 焦平面陣列該紅外焦平面陣列的像元間隔為40μm，讀出電路采用直接注入式輸入結(jié)構(gòu),積分時(shí)間為 8ms幀速為120Hz，F(xiàn)數(shù)為2.5,工作溫度為80K，為了評(píng)價(jià)該紅外焦平面陣列的性能，研究人員將其裝在一個(gè)集成探測器制冷機(jī)組件內(nèi)，在 80K 溫度下對(duì)其輸出進(jìn)行了測量。結(jié)果顯示，該陣列的峰值響應(yīng)波長為10.3μm，噪聲等效溫差為87mK。
兼容CMOS的III-V光電探測器
瑞士和美國的研究人員一直努力在硅光子集成電路（PIC）上集成III-V光電探測器結(jié)構(gòu)。IBM ResearchZürich，ETH Zürich和IBM T.J. Watson研究中心的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種工藝，可與主流的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）電子制造相兼容。有源III-V結(jié)構(gòu)由十個(gè)InAlGaAs壓縮量子阱組成，這些量子阱通過550℃金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）生長在InP上。該結(jié)構(gòu)在低于300°C的溫度下與具有氧化鋁結(jié)合層的Si-PIC晶片結(jié)合。研究人員測試了條寬為200nm和300nm的2μm長光電探測器的響應(yīng)。300nm寬的設(shè)備具有8.5GHz的3dB帶寬，而類似的具有直接接觸的設(shè)備的帶寬為1.5GHz。在100GBd開關(guān)鍵的1295nm光信號(hào)調(diào)制下測試了200nm器件,電光帶寬約為65GHz。研究人員認(rèn)為，調(diào)整設(shè)備的幾何形狀可以將帶寬增加到100GHz。該團(tuán)隊(duì)還執(zhí)行了100Gbit/s偽隨機(jī)比特序列OOK測試，通過數(shù)字插值演示了1.9x10-3的誤碼率（BER）。該團(tuán)隊(duì)評(píng)論說：“此實(shí)驗(yàn)令人大開眼界，可以使用多級(jí)調(diào)制格式，允許每個(gè)通道具有更高的容量。
結(jié)語
可以看到，光電探測器不僅在軍用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛、而且在民用、生活領(lǐng)域中也有大量應(yīng)用，已經(jīng)與我們的生活息息相關(guān)，為人類的生活提供了極大便利，但是目前一些常用的光電探測器，如PbS等，由于其帶有一定的毒性，會(huì)對(duì)人體和環(huán)境造成破壞，因此未來的發(fā)展會(huì)受到一定的限制。探索一種無毒且資源豐富的材料，優(yōu)化其光電性能，并將其應(yīng)用在光電探測器領(lǐng)域，一定能夠?yàn)槿祟悗砀蟮母Ｊa。
