半导体纳米线紫外光探测器
退火处理对ZnO纳米线紫外探测器性能的改善
摘要： 通过介电泳方法定向排列了Ｚ Ｏ纳米线 ， ｎ 制作了自组装有序的纳米线紫外探测器。为了适合在金叉
指 电 极 上 排列 ， 水 热 方 法设 计 生长 了超 长 的 Ｚ Ｏ纳 米 线 ， 通 过 ７ ０℃ 的热 退 火 处 理 ， 得 可 利 用 的 表 面 用 ｎ 并 ０ 使
缺陷增多。通 过研究器件 的光致发光光谱 和光响应 ， 发现光 、 电流 比和响应恢 复时间有显 著提高 ， 分析 暗 并
人 们 研 究紫 外 探 测 器 的热 点 之 一 。ｎ型 Ｚ Ｏ ｎ
材料 具有 大 的迁移 率 ， 同时 Ｚ Ｏ纳 米结 构具 有 较 ｎ
好 的单 晶质量和 大的比表面积 ， 利用其 制备的紫外
探测器具有高 的内量子效 率 Ｊ 。然而一般 制作纳 米 线器件需要精密而 昂贵的实验设 备 ， 利于实 这不
通过 热退 火 处理 ， 加 表面 缺 陷 ， 增 提高 器件 的光 、
样 品的形貌 测试使 用 的是 场发 射扫描 电子显
微镜 （ Ｅ Ｅ Ｈｉｃ ｉ －８ ０ 。Ｘ Ｄ谱测 试用 的 Ｆ Ｓ Ｍ， ｔ ｈ Ｓ４ ０ ） Ｒ ａ
暗电流 比值 ， 加快 了紫外光 响应 的恢复 时间 。
宽 禁带半 导体材 料 Ｚ Ｏ（ 温 Ｅ ３ ３ Ｖ） 为 ｎ 室 ： ．７ ｅ 成
匀形成 浓度 为 ０ Ｏ ＬＬ的反应 溶液 ， 后再 将 ． １ｍｏ／ 然
通过磁控 溅 射 生 长 了 Ｚ Ｏ 籽 晶 的硅 衬 底 倒 置 放 ｎ
入装有 １ Ｌ反应溶 液 的水热 反应釜 中 。随后将 ５ｍ
反应釜放 入烘 箱 中 ， 温度维 持在 ９ ， 续 ２ 。 Ｏ 持 ４ｈ 为了生长 超长 的 Ｚ ０纳米 线 ， 复 ３次 上述 生 长 ｎ 重 过 程 。退 火样 品是在 ７０ ｃ ０ ｃ的空气 中退火 １ｈ得 到 的 。然 后将 原 生 样 品 和 退 火处 理 的 Ｚ Ｏ纳米 ｎ
宽带隙半导体材料与紫外光探测器
具有宽禁带的半导体材料
半导体材料
GaN ZnO
TiO2 C-BN 金刚石 AlN SiC Ga2O3（高温）
禁带类型 直接 直接 间接 间接 间接 直接 间接 直接
禁带宽度Eg/eV
3.39 3.37 金红石3.0，锐钛矿3.2 6.4 5.47
6.2 4H-SiC3.23，6H-SiC3.0
4.8~5.1
• VLS机制中，常采用激光烧蚀法、热蒸发法 以及金属有机化学气相沉积法 • 激光烧蚀法（laser ablation）是利用激光在 特定气氛下轰击靶材，将催化金属和目标材 料的原材料一同用激光蒸发，同时结合一定 气体，在衬底或反应腔壁上沉积纳米材料
气相合成
• 热蒸发法（thermal evaporation）：将一种 或几种反应物，在高温区通过加热形成蒸汽 ，然后用惰性气体运送到反应器低温区，从 而生长准一维纳米材料 固体粉 末物理 蒸发 化学气 相沉积
• 溶剂热法则是 以有机溶剂代 替水
汇报内容
紫外敏感材料——宽禁带半导体
1.半导体及其带隙 2.宽禁带材料的特点 3.具有宽禁带的半导体材料
准一维纳米材料的合成
1.合成方法总述 2.气相合成
紫外光探测器
1.发展现状 2.薄膜探测器 3.纳米探测器
气相合成 • 气相合成法的特点 优势：可生长几乎任何无机材料的准一维纳 米材料/结构，操作简单易行 不足：一般需要较高温度，难以制造有机材 料、无机-有机负荷材料及金属离子掺杂体系
（1）在系统工作要求的波长区域范围内，有高的 量子效率； （2）响应速度快； （3）具有好的线性输入-输出性质； （4）能在需要的环境下可靠的工作
超导纳米线单光子探测器原理
超导纳米线单光子探测器原理
超导纳米线单光子探测器（Superconducting Nanowire Single-Photon Detector，SNSPD）是一种用于检测单个光子的高灵敏度探测器，主要由一个超导纳米线、一个电感、一个电容和一个电阻组成。
当一个光子进入探测器时，它会被光场激发成对的电子-空穴对，
其中空穴被超导纳米线吸收，形成超导电流。
这个超导电流会通过电
感产生磁场，而磁场又会影响到超导纳米线中电子-空穴对的运动，从
而导致超导纳米线电阻发生变化。
这个变化的电阻导致通过电容的电
荷发生变化，进而产生一个电压脉冲，表示探测到一个光子。
SNSPD的灵敏度较高，主要原因是超导纳米线的能量响应非常快速和灵敏，对单个光子的计数效率高，探测量子效率达到了接近百分之
九十的水平。
此外，SNSPD具有良好的时间分辨率和探测率，可用于量子通信和量子计算等领域。
总的来说，SNSPD的探测原理是基于光子与超导纳米线的相互作用，通过电容和电阻的变化来检测单个光子，是一种高效、高灵敏度的单
光子探测器。
半导体光电探测器的发展与应用
半导体光电探测器的发展与应用半导体光电探测器是一种基于半导体材料和光电效应原理构造而成的器件，可以将光信号转化成电信号。
由于其高灵敏度、高速响应和稳定性等优良特性，被广泛应用于光通信、光学成像、环境监测、医学诊断等领域。
本文将围绕半导体光电探测器的发展历程、结构及原理、现状和应用等方面展开论述。
一、发展历程半导体光电探测器的发展可以追溯到20世纪20年代，当时光电效应和半导体性质的研究取得了突破性进展。
到了20世纪50年代，半导体光电探测器开始得到广泛的关注和研究。
1960年代出现的PN结光电二极管，成为第一代光电探测器。
1980年代中期，出现了速度较快、灵敏度更高的探测器，如PIN结光电二极管、Avalanche光电探测器等。
1990年代中期以后，半导体光电探测器的研究重点开始向复杂结构和新型材料的探索转移。
目前，半导体光电探测器已经成为了光电信息处理、物理学研究和制造业等领域的重要技术。
二、结构及原理半导体光电探测器的结构基本上都是由多层P型半导体、N型半导体和Intrinsic半导体组成。
其中，P型半导体和N型半导体通过PN结连接。
当光子入射到PN结上时，会激发出电子，从而改变了PN结的电流和电压差。
Intrinsic半导体通常会被用作增加载流子储存的区域。
半导体光电探测器的工作原理是通过光电效应将光子转化成电子，从而改变器件的电学性质。
光电效应是指当光子入射到半导体材料上时，会激发出电子，从而产生电位能差。
当光照射到器件上时，产生的载流子将被探测电路收集。
三、现状目前，半导体光电探测器的技术发展已经较为成熟。
在高速通信领域，APD、PIN-TIA等探测器被广泛应用于数字光纤通信和模拟光纤通信等领域。
在太空探测领域，半导体光电探测器被用于搜集天体的光与辐射等信息。
此外，半导体光电探测器还应用于光学成像、环境监测、医学诊断等领域。
随着科技的不断进步，半导体光电探测器的应用前景将更广阔。
四、应用半导体光电探测器的广泛应用主要体现在以下几个方面：1.光通信半导体光电探测器在光通信中起着至关重要的作用。
紫外探测器原理
紫外探测器原理紫外探测器是一种可以检测紫外光的光电传感器，广泛应用于科学研究、工业检测、环境监测等领域。
它基于紫外光与物质之间的相互作用原理，将光信号转换为电信号，实现对紫外光的探测、测量和分析。
紫外探测器的工作原理基于紫外光的光电效应，即当紫外光照射到感光材料上时，光子的能量被传递给感光材料中的电子，使其从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
紫外光的强度越大，传递给感光材料的能量就越大，电子的跃迁数量就越多，形成的电子空穴对也就越多。
接着，这些电子空穴对会被电场分离并收集到电极上，产生电流信号，从而实现对紫外光的探测。
常用于紫外探测器的感光材料有硅（Si）、氮化镓（GaN）、硒化镉（CdSe）等。
硅是一种常见的半导体材料，具有良好的光电性能和相对较宽的响应范围，在宽波长范围内都能对紫外光产生响应。
氮化镓则是一种具有较高选择性的材料，适用于高能量的光子探测。
而硒化镉则是一种高灵敏度的材料，适用于高精度的紫外光测量。
除了感光材料，紫外探测器还包括光透过窗、滤光膜、光敏电极等组件。
光透过窗用于过滤掉紫外光以外的光线，确保只有紫外光能够进入探测器。
滤光膜则用于进一步调节入射光的波长和强度，以满足具体应用需求。
光敏电极则负责收集感光材料中产生的电子空穴对，将其转化为电流信号。
在实际应用中，紫外探测器通常与信号放大器、滤波器、数据采集系统等设备结合使用，以提高信号的检测灵敏度和增加探测范围。
信号放大器将探测器输出的微弱电流放大为可测量的电压信号，滤波器则用于进一步滤除噪音和杂散光，数据采集系统则用于记录和分析探测器输出的电信号。
总的来说，紫外探测器的原理是基于光电效应，通过感光材料吸收和转换紫外光的能量，产生电流信号。
感光材料的选择、光透过窗、滤光膜、光敏电极等组件的设计和优化，以及与其他设备的配合使用，都是实现高灵敏度、高准确性紫外光探测的关键。
半导体光电探测器的原理及其应用
半导体光电探测器之阳早格格创做纲要：本文介绍了光电与系统的组成、一些半导体光电探测器的处事本理及其个性，末尾叙述了光电导探测器与光伏探测器的辨别.闭键词汇：半导体光电探测器，光电系统，光电导探测器，光伏探测器弁止光电探测器是一种受光器件,具备光电变更功能.光敏器件的种类繁琐,有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光晶闸管、集成光敏器件等;有雪崩型的及非雪崩型的;有PN 结型、PIN结型及同量结型的等.由于光电探测器的赞同速度快,体积小,暗电流小,使之正在光纤通讯系统、光纤尝试系统、光纤传感器、光断绝器、彩电光纤传输、电视图象传输、赶快光源的光探测器、微小光旗号的探测、激光测距仪的接支器件、下压电路中的光电丈量及光电互感器、估计机数据传输、光电自动统造及光丈量等圆里得到了广大应用.半导体光电探测器是用半导体资料创造的能接支战探测光辐射的器件.光映照到器件的光敏区时，它便能将光旗号转形成电旗号，是一种光电变更功能的测光元件.它正在国防战工农业死产中有着要害战广大的应用.半导体光电探测器可分为光电导型战光伏型二种.光电导型是指百般半导体光电导管，即光敏电阻；光伏型包罗光电池、P-N结光电二极管、PIN光电二级管、雪崩光电二极管、光电三级管等.本文最先介绍了光电系统的组成，而后分别介绍其处事本理及其个性，末尾将那二类探测器举止比较.一、光电子系统的组成系统又称为收射天线，果为光波是一种电磁波，收射光教系统所起的效率战无线电收射天线所起的效率真足相共.收支进去的光旗号通过传输介量，如大气等，到达接支端.由接支光教系统或者接支天线将光散焦到光电探测器上，光电过少距离传输后会衰减，使接支到的旗号普遍很强，果此需要用前置搁大器将其搁大，而后举止解码，还本成收支端本初的待传递旗号，末尾由末端隐现器隐现出去.图1-1光电子系统图二、半导体探测器的本理1、光电导探测器光电导探测器主假如通过电阳值的变更去检测，以下尔将以光敏电阻为例介绍其处事本理.光敏电阻又称光导管, 它不极性, 杂粹是一个电阻器件, 使用时既可加曲流电压, 也不妨加接流电压.无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小. 当光敏电阻受到一定波少范畴的光照时, 它的阻值（明电阻）慢遽缩小, 电路中电流赶快删大. 普遍期视暗电阻越大越佳, 明电阻越小越佳,此时光敏电阻的敏捷度下. 本量光敏电阻的暗电阻值普遍正在兆欧级, 明电阻正在几千欧以下.它的处事本理图如2-1图当不光照时，Rd=10断路当有光照时，Rd= 导通2、光伏探测器光伏探测器鉴于光照爆收电势好，用测电势好的本理.它分为光电池与光电二极管二种典型，光电池主假如把光能变更为电能的器件，暂时有硒光电池、硅光电池、砷化镓及锗光电池等，但是暂时使用最广的是硅光电池.光电二级管分为P-N结光电二极管、PIN光电二级管、雪崩光电二极管、光电三级管等.以下尔将分别介绍其处事本理及其个性. 1）P-N结光电二级管2）PIN光电二级管PIN光电二极管又称赶快光电二极管，与普遍的光电二极管相比，它具备不的时间常量，并使光谱赞同范转背少波目标移动，其峰值波少可移至1.04~1.06um而与YAG激光器的收射波少相对于应.它具备敏捷度下的便宜，所以通时常使用于强光检测（线性）.它的结构图如2-3所示，它是由P型半导体战N型半导体之间夹了一层本征半导体形成的.果为本征半导体近似于介量，那便相称于删大了P-N结结电容二个电极之间的距离，使结电容变得很小.其次，P型半导体战N型半导体中耗尽层的宽度是随反背电压减少而加宽的，随着反偏偏压的删大，结电容也要变得很小.由于I层的存留，而P区普遍干得很薄，进射光子只可正在I层内被吸支，而反背偏偏压主要集结正在I区，产死下电场区，I区的光死载流子正在强电场效率下加速疏通，所以载流子渡越时间常量（）减小，进而革新了光电二极管的频次赞同.共时I层的引进加大了耗尽区，展宽了光电变更的灵验处事地区，进而使敏捷度得以普及.3）雪崩光电二级管雪崩光电二级管（APD）是得用光死载流子正在下电场区内的雪崩效力而赢得光电流删益，具备敏捷度下、赞同快等便宜，通时常使用于激光测距、激光雷达、强光检测（非线性）.APD雪崩倍删的历程是：当光电二极管的p-n结加相称大的反背偏偏压时，正在耗尽层内将爆收一个很下的电场，它脚以使正在强电场区漂移的光死载流子赢得充分的动能，通过与晶格本子碰碰将爆收新的电子-空穴对于.新的电子-空穴对于正在强电场效率下，分别背好同的目标疏通，正在疏通历程中又大概与本子碰碰再一次爆收新的电子-空穴对于.如许反复，产死雪崩式的载流子倍减少.那个历程便是APD的处事前提.APD普遍正在略矮于反背北脱电压值的反偏偏压下处事.正在无光照时，p-n结不会爆收雪崩倍删效力.但是结区一朝有光映照，激励出的光死载流子便被临界强电场加速而引导雪崩倍删.若反背偏偏压大于反背打脱电压时，光电流的删益可达（十的六次圆）即爆收“自持雪崩倍删”.由于那时出现的集粒噪声可删大到搁大器的噪声火仄，以以致器件无法使用.4）光电三级管光电三级管与光电二极管比较，光电三级管输出电流较大，普遍正在毫安级，但是光照个性较好，多用于央供输出电流较大的场合.光电三极管有pnp战npn型二种结构，时常使用资料有硅战锗.比圆用硅资料创造的npn型结有3DU型，pnp型有3CU型.采与硅npn型光电三极管，其暗电流比锗光电三极管小，且受温度变更效率小，所以得到位广大应用.底下以3DU型光电三极管为例证明它的结构、处事本理与主要个性.3DU型光电三极管是以p型硅为基极的三极管，如图2-4（a）所示.由图可知，3DU管的结媾战一般晶体管类似，不过正在资料的掺杂情况、结里积的大小战基极引线的树立上战一般晶体管分歧.果为光电三极管要赞同光辐射，受光里即集电结（bc结）里积比普遍晶体管大.其余，它是利用光统造集电极电流的，所以正在基极上既可树立引线举止电统造，也不妨不设，真足共光一统造.它的处事本理是处事时各电极所加的电压与一般晶体管相共，即要包管集电结反偏偏置，收射正偏偏听偏偏置.由于集电结是反偏偏压，正在结区有很强的内修电场，对于3DU管去道，内修电场目标是由c到b的.战光电二极管处事本理相共，如果有光照到集电结上，激励电子-空穴对于，接着那些载流子被内修电场分散，电子流背集电极，空穴流背基极，相称于中界背基极注进一个统造电流Ib=Ip.果为收射打队结是正偏偏置的，空穴则留正在基区，使基极电位降下，收射极便有洪量电子经基极流背集电极，总的集电极电流为Ic=Ip+βIp=(1+β)Ip，式中β为电流删益系数.由此可睹，光电三极管的集电结是光电变更部分.共时集电极、基极、收射极形成一个有搁大效率的晶体管.所以正在本理上不妨把它瞅万里一个由光电二极管与一般晶体管分散而成的拉拢件，如图2-4(b)所示.光电三级管另一个个性是它的明暗电流比要比光电二极管、光电池、光电导探测器大，所以光电三极管是用去做光启闭的理念元件.3．光电导探测器与电伏探测器的辨别1）光电导探测器是均值的，而光伏探测器是结型的.2）光。
紫外探测器的原理
紫外探测器的原理
紫外探测器是一种用于测量紫外辐射的设备，其工作原理基于紫外光与探测器中的材料相互作用产生电荷转移。
具体原理如下：
1. 光感材料：紫外探测器使用光感材料作为活性层，一般选择半导体材料（例如硅、锗、碲化镉等）或者化学化合物（如新型有机半导体等）。
这些材料对特定波长范围内的紫外辐射具有较高的敏感度。
2. 光吸收：当紫外光与材料相互作用时，光子能量会被吸收，导致材料中的电子从基态跃迁到激发态，形成电子-空穴对。
3. 电荷转移：电子-空穴对在材料中进行电荷转移，通过载流子分离和迁移，形成电流。
电流的大小与吸收的光功率有关，可以用于测量或计算光的强度。
4. 信号增强：为了增强信号，常通过引入电场、光增强材料或者光功率放大器等手段来提高探测器的敏感度和响应速度。
总之，紫外探测器的工作原理是基于紫外光与光感材料之间的相互作用，通过光吸收和电荷转移产生测量或计算光强度的电流信号。
ZnO Nanowire UV Photodetectors with High Internal Gain(中文翻译)
图 3.
(a)单根 ZnO NW 器件在 5V 偏压下光电流作为激发强度函数 (b)在 ZnO NW 中估计的光电导增益与光子吸收率之比
为了确定载流子寿命 T1，我们在低的激发强度下使用时间分辨的设备研究了光电流驰 豫。图 4a 显示了不同片压下光电流在持续光照下（λ=390nm）的上升和入射光管断后光电 流的衰减。通过对比与不同偏压下的曲线，发现光电流动力学在整个所研究的|V|<5V 偏压 范围内独立于信号和外部电场强度， 表明不存在空间电荷效应。 通过双指数上升和下降函数 获取的实线显示与数据符合的最好，我们推导出的加权平均光电流上升和下降时间常数是 τrise=23s 和 τdecay=33s。从常规的光电探测器 3dB 带宽表达式 B=1/2πT1，以及载流子寿命 实验值（T1=33s） ，我们 X 获得了 ZnO NW 的 B≈5X10-3HZ。增益带宽积通过
N
F
AL
Hale Waihona Puke T1 ( F )T1 ( F ) T10
1 1 ( F / F0 )n
（1 ）
此处 Ƞ 是载流子光生量子效率，F 是光吸收率，A 和 L 分别是 NW 横截面和长度，T1 是载流子寿命。当陷阱充满后，能带变平，自由空穴数目增多；这增加了电子-空穴复合的 几率， （which is manifested in an absorption-rate-dependent carrier lifetime）在吸附率依 赖的载流子寿命 T1 (F)中很明显。T1 (F)的解析表达式在式(1)中给出，式中 T10 是在低激发 密度下载流子寿命，F0 是当陷阱达到饱和时光子吸收率，n 是现象调整参数。 从一般的光电流（Iph）表达式我们可以得到：
亚毫秒范围内：比如，在 ν=3KHz 是，G～2X106，使得 GB=6G Hz。从式 4，可推导出对 极间距离为 2μm，电压 V=5V 时，载流子渡越时间为 Tt～30ps，对应载流子速度为 μ～ 270cm2/V· s。因为这些 NW 器件在 V=5V 时的暗电流接近 10nA（图 1） ，我们可以估计本 13 -3 征载流子浓度低至 n～10 cm ，意味着在本研究中所用的 ZnO NW 具有很高的结晶质量， 并且解释了观察到非常高的光电导增益。
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• 优点：
• 体积小、灵敏度高、抗可见光干扰能力强、功耗低、寿命长。有 很高的化学和热稳定性、更好的抗辐射损伤的能力、较低的生长 温度、适合作长寿命器件等。
3
发展趋势7Βιβλιοθήκη 发展趋势• 研究方向：
• GaN基与ZnO基、AlN基、Ga2O3基等宽禁带半导体材料： • 1、禁带宽度大（Eg>2.3eV） • 2、热导率很高 • 3、击穿电场高 • 4、电子饱和漂移速率大 • 5、化学稳定性好 • 6、抗辐射能力佳
半导体纳米线紫外光探 测器研究进展
导师：胡永明 主讲人：胡立昂
2017.02.25
内容概要
1.应用领域 2.工作原理 3.发展趋势 4.前景展望
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应用领域
紫外光探测器的应用领域：
军事：导弹预警、制导、紫外通讯、生化分析。 民用：臭氧检测、明火探测、生物医药分析、海上油监、太阳照 度检测、公安侦查等。
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前景展望
未来期望：
1.在紫外光侦测波长区域范围内，量子转换效率高； 2.响应速度快； 3.线性输入-输出性质好； 4.工作性能可靠。 科研、军事、航天、环保、防火和许多工业控制领域高灵 敏度、低噪声的紫外探测器成为未来半导体纳米线紫外光 探测器件材料发展的主要方向。
3
谢谢
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工作原理
紫外光探测器的工作原理：
光电效应，采用对光敏感的材料器件制作传感器，检测入射光 功率并转换为相应的电流信号。
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工作原理
紫外光探测器的工作原理：
将紫外光波长范围内（200~400nm）图像转化后的信号
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发展趋势
• 早期商用紫外传感器：
• 1.紫外光电倍增管； • 2.紫外光电二极管； • 3.固体紫外探测器。
• 缺陷：
• 光电倍增管和硅基光电二极管对可见光有强烈的响应，形成不需 要的电信号，需附带滤光片；
• 光电倍增管需要高电压、体积笨重、效率低、易损坏且成本高。
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发展趋势
Honeywell紫外线火焰探测器
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发展趋势
• 宽禁带半导体纳米线紫外探测器：
• 对紫外光非常敏感，能在日盲区（深紫外200-280nm）工作，其 精度远远高于硅基紫外传感器。