Si基-近红外光电探测器解析
II型量子阱结构
Gex/SiⅡ型量子阱实现 了对电子和空穴较强的 限制，但引入的新问题 是电子和空穴的量子阱 不在空间同一位置 。 采用近邻限制的(NCS) 的II型量子阱结构 ，来 实现对电子、空穴的有 效的限制，由于在实空 间它们不在同一位置， 必须依靠隧穿效应实现 波函数的交叠而实现复 合跃迁。
5V偏压下暗电流为12pA/um2,1.3um响应 度为6.5mA/W,16V偏压下，外量子效率 为3.5％
5V偏压下暗电流为0.192pA/um2, 1.344um响应度1.2mA/W
二.基本原理
Si Ge 的性质 SiGe应变材料的性质
1.Si Ge 的性质
本征硅材料的长波吸收极限 为1.1um，截止波长1.12um。 用硅来实现1.3um ~1.6um红 外光的探测器。方法：能带 改性（如键合技术），或者 在硅中引入其它半导体材料。
Si Ge 晶体结构
Si 和Ge 都是间接带隙半导体材料,都是金刚石结构。具有相近的 晶格常数(分别为0. 543 1 nm 和0. 565 8 nm) 和电子亲和势(分别 为4. 00 eV 和4. 05 eV) 。
晶体结构示意图
导带等能面示意图
SiGe材料的性质
临界厚度
Si 和Ge 都是间接带隙半导体材料,
具有相近的晶格常数(分别为0. 543 1 nm 和0. 565 7 nm)晶格失配率 4.2％。应变Si1 - x Ge x 外延层中 的应力将随着层厚的增加而增大,
达到某一临界值时应力将驱动外延
层成岛或产生位错而获得弛豫
2.应变材料的性质
应变对带隙的影响 应变对si导带和价带的影响 Si1-xGex/Si 异质结两种能带结构
响应时间: 入射光照射到探测器上后，引起光电流产生所需要的 时间。 量子效率的带宽积：量子效率和带宽的乘积。
3.近红外硅基探测器的发展
－－键合技术
1995,InGaAs/InP键合在Si上,1.55um时外量 子效率80%, -5V时暗电流为0.29nA
Appl Phy Lett,1995,67(26)3936-3938
三.材料生长
ＵＨＶ－ＣＶＤ 表征
UHV-CVD主机（轴侧视图）
生长室 预处理室 进样室
手套箱操作室
Si 片外延基本步骤
1.Si片清洗：
Ⅲ号液 H2SO4+ H2O2 ，HF溶液漂洗(1:20)； Ⅰ号液 NH3OH+H2O2 ， HF溶液漂洗(1:20); Ⅱ号液 HCl+H2O2 ，吹干(普氮）。 2.样品传递： ⑴从手套箱进； ⑵直接从进样室进。 3.样品预处理室处理
2.1体材料
Eg (x)= 1.1 55 - 0. 43 x + 0. 206 x2 (0< x <0.85) Eg (x) = 2. 01 - 1. 27 x (0.85< x <1)
应变材料
Eg(x)=1.12-096x+0.43x2-017x3
2.2应变对si的影响——导带
∆2 is lowered with respect to the energy level of the four in-plane valleys ∆ 4
1.光电导效应 内 光电 2.光生伏特效应 PN结和PIN结 效应 雪崩效应 肖特基势垒 3.光电磁电效应探测器 1.光阴极发射光电子 2.光电倍增效应
相应的探测器
光敏电阻
外 光电 效应
光电二极管 雪崩光电二极管 肖特基势垒光电二极管 光电磁探测器 光电管 光电倍增管
2.3探测器的性能参数
响应波长: 探测器可能引起本征吸收的入射光的最长波长。当入
2.1 热探测器
热胀冷缩效应：液态的水银温度计、气态的高莱池（Golay cell）
温差（Seeback）效应: 热电偶和热电堆
共振频率对温度的敏感性：石英共振器非致冷红外成像阵列。
材料的电阻或介电常数的热敏效应 热释电效应
缺点：灵敏度低，响应速度慢
2.2光电探测器
名称 物理效应或原理
mt=0.19mo ml=0.98mo
应变对si的影响——价带
2.3 Si1-xGex/Si 异质结两种能带结构
Si1-xGex/Si 异质结 根据 生长条件的不同，可以得 到两种能带结构。分别为 I 型和Ⅱ型排列。对于 Ⅰ 型的发光研究，虽然取得 了一定的成绩，但突破不 大，其主要原因是量子阱 中导带差太小，量子阱对 电子的局域很弱，因而对 电子的收集效率不高。
1.474um时,半高宽12.5nm,量子 效率44%
－－在硅上外延Ge体材料
P 600C Ge-1um 350C Ge Si sub
2006年,1.55um响应度0.2A/W
10V偏压下暗电流1.07uA，1.3um处响应 度为0.37A/W
1.54um响应度0.73A/W,
带宽6.7GHz
GeSi量子阱和纳米岛探测器
2.红外探测器的分类
100多年来，从经典物理到20世纪开创的近物理，特 别是量子学、半导体物理等学科的创立，到现代的微观物 理、低维结构物理等，有许多而且越来越多利用探测的物 理现象和效应。红外辐射与物质（材料）相互作用产生各 种效应：
一、引起温度变化产生可度量的输出 热探测器
二、红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子，引 起电学性能的变化 光电探测器
射波长比响应波长短时，会发生强烈的吸收. 暗电流: 无光照时,电路上的电流.
量子效率: 单个入射光子在器件中所产生的对光电流有贡献
的电子－空穴对．即光生载流子与入射光子流的比值
Ip /e P oi / hv
R
Ip Po
e hv 1.24
响 应 度: 单位入射光功率产生的电流.
近红外光电探测器材料
——Si基材料
物理系
主要的三个部分
前言
引言 探测器的分类 近红外硅基探测器的进展
基本原理
Si Ge 的性质 SiGe应变材料的性质
材料生长
ＵＨＶ－ＣＶＤ 表征
一.前言
引言 探测器的分类 近红外硅基探测器的进展
1.引言
历史上，红外探测器的发展得益于战争尤其是 二次大战的刺激。随后的冷战时期，到现今的局部 战争，人们不断加深对红外探测器重要性的认识。 据美国市场调查，2002年美国红外技术市场达到12 亿美元，由于民用需求的急剧增长，军事应用的比 例正在稳步减小，红外探测器技术势必使21世纪的 红外科学技术加速开拓前进。
光电探测器基本原理
光生伏特效应
在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫光生伏特效应。光生伏特效应可分为：结光 电效应和横向光电效应。基于光生伏特效应的光电器件有：光电池，光敏二极管，光敏晶体管等。
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结光电效应原理：
p Ec EF Ev
光生空穴
p
-
光子
n
o 电离受主
--
+
--
+
电离施主 L
++ ++
x 光生电子
n
-
Lp
x
耗尽层 E i
x
Ln
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横向光电效应原理： 当半导体器件受到光照不均匀时，光照部分吸收入射光子能量产生电子-空穴对，光照部分载流子浓度比
未受光照部分载流子浓度大。就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。电子迁移率比空穴大，那 么，空穴扩散较电子扩散弱，而造成照射部分带正电，未被照射部分带负电。光照部分与未光照部分产生 光电动势。
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• 主要应用
●照相机自动测光
●光电控制
(Camera automation photometry) (Photoelectric control)
●室内光线控制 (Indoor sunlight control)
●工业控制 (Industrial control)
●光控灯 (Optical control lamp)
●光控音乐I.C (Optical control musicI.C)
●报警器 (Annunciator)
●光控开关 (Optical control switch)
●电子玩具 (Electronic toy)
光电探测器的几种类型
光电探测器的几种类型红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子电子或空穴、，引起电学性能变化。
因为载流子不逸出体外，所以称内光电效应。
量子光电效应灵敏度高，响应速度比热探测器快得多，是选择性探测器。
为了达到性能，一般都需要在低温下工作。
光电探测器可分为：1、光导型：又称光敏电阻。
入射光子激发均匀半导体中的价带电子越过禁带进入导带并在价带留下空穴，引起电导增加，为本征光电导。
从禁带中的杂质能级也可激发光生载流子进入导带或价带，为杂质光电导。
截止波长由杂质电离能决定。
量子效率低于本征光导，而且要求更低的工作温度。
2、光伏型：主要是p－n结的光生伏特效应。
能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。
存在的结电场使空穴进入p区，电子进入n区，两部分出现电位差。
外电路就有电压或电流信号。
与光导探测器比较，光伏探测器背影限探测率大于40％；不需要外加偏置电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。
这些特性给制备和使用焦平面阵列带来很大好处。
3、光发射－Schottky势垒探测器：金属和半导体接触，典型的有PtSi/Si结构，形成Schottky势垒，红外光子透过Si层为PtSi吸收，电子获得能量跃上Fermi能级，留下空穴越过势垒进入Si衬底，PtSi层的电子被收集，完成红外探测。
充分利用Si集成技术，便于制作，具有成本低、均匀性好等优势，可做成大规模1024×1024甚至更大、焦平面阵列来弥补量子效率低的缺陷。
有严格的低温要求。
用这类探测器，国内外已生产出具有像质良好的热像仪。
PtSi/Si结构FPA是早制成的IRFPA。
4、量子阱探测器QWIP：将两种半导体材料A和B用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面，能带有突变。
电子和空穴被限制在低势能阱A层内，能量量子化，称为量子阱。
利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。
90年代以来发展很快，已有512×512、640×480规模的QWIPGaAs/AlGaAs焦平面制成相应的热像仪诞生。
光电探测器及应用
要正确选择光电探测器，首先要对探测器的原理和参数有所了解。
1.光电探测器光电二极管和普通二极管一样，也是由PN结构成的半导体，也具有单方向导电性，但是在电路中它不作为整流元件，而是把光信号转变为电信号的光电传感器件。
普通二极管在反向电压工作时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相较大，以便接收入射光。
光电二极管在反向电压工作下的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增加到几十微安，称为光电流。
光的强度越大，反向电流也越大。
光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换为电信号，称为光电传感器件。
2.红外探测器光电探测器的应用大多集中在红外波段，关于选择红外波段的原因在这里就不再冗余了，需要特别指出的是60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。
在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。
另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。
红外线根据波长可以分为近红外，中红外和远红外。
近红外指波长为0.75—3微米的光波，中红是指3—20微米的光波，远红外是指20—1000微米的波段。
但是由于大气对红外线的吸收，只留下三个重要的窗口区，即1—3,3—5和8—14可以让红外辐射通过。
因为有这三个窗口，所以可以被应用到很多方面，比如红外夜视，热红外成像等方面。
红外探测器的分类：按照工作原理可以分为：红外红外探测器，微波红外探测器，玻璃破碎红外测器，振动红外探测器，激光红外探测器，超声波红外探测器，磁控开关红外探测器，开关红外探测器，视频运动检测报警器，声音探测器等。
按照工作方式可以分为：主动式红外探测器和被动式红外探测器。
光电探测器列表
紫外探测器：碳化硅（SiC）材质，响应波段200-400nm。
应用：火焰探测和控制、紫外测量、控制杀菌灯光、医疗灯光的控制等。
————————————————————————————————————————————可见光探测器：硅（Si）材质，响应波段200-1100nm。
有室温、热电制冷两种形式，可以带内置前放，有多种封装形式可选。
主要用在测温、激光测量、激光检测、光通信等领域。
————————————————————————————————————————————红外探测器（1）：锗（Ge）材质，响应波段0.8-1.8um，有室温、热电制冷、液氮制冷三种形式，可以带内置前放，有多种封装形式可选。
主要应用在光学仪表、光纤测温、激光二极管、光学通信、温度传感器等————————————————————————————————————————————红外探测器（2）：铟钾砷（InGaAs）材质，响应波段0.8-2.6um，波段内可以进行优化。
有室温、热电制冷、液氮制冷三种形式，可以带内置前放，可以配光纤输出，多种封装形式可选。
主要应用在光通信、测温、气体分析、光谱分析、水分分析、激光检测、激光测量、红外制导等领域。
————————————————————————————————————————————红外探测器（3）：砷化铟（InAs）材质，响应波段1-3.8um，有室温和热电制冷两种，可以配内置前放，多种封装形式可选。
主要用于激光测量、光谱分析、红外检测、激光检测等领域。
红外探测器（4）：锑化铟（InSb）材质，响应波段2-6um，液氮制冷，可以带内置前放，多种封装形式可选。
主要应用在光谱测量、气体分析、激光检测、激光测量、红外制导等领域。
————————————————————————————————————————————红外探测器（5）：硫化铅（PbS）材质，响应波段为1-3.5um，有室温和热电制冷两种，可以带内置前放，多种封装形式可选。
Si基HgCdTe变面积光伏探测器的变温特性研究
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光伏探测器详解
B、雪崩光电二极管（APD）
一般旳硅光电二极管和PIN光电二极管是没有内增益旳光 伏探测器，而在光探测器系统中旳实际应用中，大多是对微 光信号进行探测，采用具有内增益旳光探测器将有利于对薄 弱光信号旳探测。
雪崩光电二极管是具有内增益旳光伏探测器，它是利用 光生载流子在高电场区内旳雪崩效应而取得光电 料主要是硅和锗，实际旳器件具有极短旳响应时间，即数以 千兆旳相应频率，高达100到1000旳增益，所以在光纤通讯、 激光测距、激光雷达和光纤传感器等领域得到了广泛旳应用。
5、频率响应及响应时间 6、温度特征
五．光电探测器应用
1.光电池及应用 光电池是一种无需外加偏压就能将光能转换成电能旳光伏探测 器。光电池能够分为两大类：太阳能光电池和测量光电池。太 阳能光电池主要用作电源，对它旳要求是转换效率高、成本低， 因为它具有构造简朴、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、 在空间能直接利用太阳能转换电能旳特点，因而不但仅成为航 天工业上旳主要电源，还被广泛地应用于供电困难旳场合和人 们日常生活中。测量光电池旳主要应用时作为光电探测用，即 在不加偏置旳情况下将光信号转换成电信号，对它旳要求是线 性范围宽、敏捷度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，被 广泛应用在光度、色度、光学精密计量和测验试中
一、三种工作模式
（1）零偏置旳光伏工作模式 若p-n结电路接负载电阻RL，如图，有光照射
时，则在p-n结内出现两种相反旳电流：
光激发产生旳电子－空穴对，在内建电
场作用下形成旳光生电流Ip，它与光照有 关，其方向与p-n结反向饱和电流I0相同；
光生电流流过负载产生电压降，相当于
在p-n结施加正向偏置电压，从而产生电 流ID。
（1）光电池旳构造 光电池是用单晶硅构成旳，在一块N型硅片上扩散P型杂质，形成一种扩 散np结；或在P型硅片扩散N型杂质，形成pn结，在焊上两个电极。P端 为光电池正极，N端为负极，一般在地面上应用作光电探测器旳多为np型。 pn型硅光电池具有较强旳抗辐射能力，适合空间应用，作为航天旳太阳 能电池。下图为是硅光电池结 构示意图。
锗硅的红外探测器原理
锗硅的红外探测器原理
锗硅红外探测器是一种利用锗硅材料制成的红外线探测器,可用于检测和成像红外线辐射。
它的工作原理主要基于锗硅的以下光电特性:
1. 锗硅是一种禁带宽度较窄的半导体材料,室温条件下具有很高的红外线吸收率,这使其可有效地吸收和检测红外线辐射。
2. 当红外线光子被锗硅材料吸收时,会激发出电子,在锗硅中产生电子-空穴对,从而导致电导率的变化。
通过测试电导率的变化情况,可以检测到入射红外线的强度。
3. 锗硅材料可以制作成PIN结构的光电二极管,它具有内部电场,吸收红外线后,电子-空穴对在内场作用下进行分离,形成可以测量的光电流。
4. 通过制作成二维或线阵列探测器,可以实现对红外线图像的扫描和重构。
5. 调节锗硅材料的掺杂可以调节它的探测波段,从近红外到远红外(0.8-30微米)都可实现检测。
6. 与其他红外探测器(如汞镉告或砷化镓)相比,锗硅工作温度高,不需要低温冷却,这简化了系统。
7. 锗硅制造工艺成熟,价格低廉。
总之,锗硅红外探测器具有高性能、无需制冷以及制作简单的特点,在民用和军事领域都有很广泛的应用。
它的工作原理是基于锗硅的半导体光电特性实现的。
si-pin探测器形成光谱原理
si-pin探测器形成光谱原理
Si-pin探测器是一种半导体探测器，它利用硅（Si）作为主要材料，通过光电效应来形成光谱。
当光照射在Si-pin探测器上时，光子会与探测器中的电子相互作用，使电子从价带跃迁到导带，从而产生电流。
这个过程称为光电效应。
Si-pin探测器的光谱形成原理可以从能带理论的角度来解释。
在Si-pin探测器中，电子从价带跃迁到导带后，会在价带中留下一个空穴。
这个空穴会吸引其他电子来填充，从而形成电流。
这个电流的大小与入射光的能量成正比，因为入射光的能量越大，电子跃迁的数目就越多，产生的电流也就越大。
Si-pin探测器的光谱响应范围主要取决于其禁带宽度。
一般来说，Si-pin探测器的禁带宽度在1.1eV左右，对应的波长响应范围为300nm至1100nm。
在这个范围内，探测器对不同波长的光产生不同的响应，从而形成光谱。
需要注意的是，Si-pin探测器的性能不仅受到禁带宽度的影响，还受到其他因素的影响，如表面态、缺陷态等。
这些因素会降低探测器的量子效率，从而影响光谱的质量和准确性。
因此，在使用Si-pin 探测器时，需要选择高质量的材料和制造工艺，以获得更好的性能。
最新常用光电探测器PPT课件
V
Pmax Rg
RL Rg
光敏电阻
时间响应特性
光敏电阻受光照后或被遮光后，回路电流并不立即增 大或减小，而是有一响应时间。响应时间常数是由电流上 升时间和衰减时间表示。
光敏电阻的响应时间与入射光的照度，所加电压、负 载电阻及照度变化前电阻所经历的时间（称为前历时间） 等因素有关。
光敏电阻
稳定特性
P3
－ V
+
u2 RL1
u1 o i1
RL2
i2
i
RL1
RL2 RL
i
▪ 第三象限是反偏压状态。这时iD=iS0，是普通二极管中的反向饱和电流，
称为暗电流(对应于光功率P=0)，数值很小，这时的光电流(等于i-iS0)是 流过探测器的主要电流，对应于光导工作模式。通常把光导工作模式的
光伏探测器称为光电二极管，因为它的外回路特性与光电导探测器十分
几种国产硅光电池的特性
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
短路电流和开路电压
短路电流——RL=0 开路电压——RL=∞
光电池等效电路
Cj：结电容 ish：pn结漏电流，很小 Rsh：等效泄露电阻，很大 Rs：引出电极－管芯接触电阻
HgxCd1-xTe探测器：化合物本征型光电导探测器，由 HgTe和GdTe两种材料混在一起的固溶体，其禁带宽度 随组分x呈线性变化。当x=0.2时响应波长为8~14μm， 工作温度77K，用液氮致冷；内电流增益约为500，低 内阻，广泛用于10.6μm的CO2激光探测。
光敏电阻
光电信号检测 光电探测器概述
6. 光学视场
7. 背景温度（红外）
二、有关响应方面的性能参数
1．响应率（响应度)Rv或RI
• 响应率是描述探测器灵敏度的参量。它表征探测 器输出信号与输入辐射之间关系的参数。
• 定义为光电探测器的输出均方根电压VS或电流IS 与入射到光电探测器上的平均光功率之比，并分 别用RV 和RI 表示，即
hc w (逸出功)
hc/ w
低于阴极材料逸出功则不能产生光电子发射。阳极接收光电 阴极发射的光电子所产生的光电流正比于入射辐射的功率。 • 主要有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。应用最广的 是光电倍增管，它的内部有电子倍增系统，因而有很高的电 流增益，能检测极微弱的光辐射信号。 • 波段：可见光和近红外（<1.25μm） • 特点：响应快、灵敏度高
热探测器的特点： 无光谱选择性、不需制冷、响应慢、噪声限制
§2－2 光电探测器的性能参数
一、 光电探测器工作条件
• 光电探测器的性能参数与其工作条件密切相 关，所以在给出性能参数时，要注明有关的 工作条件。只有这样，光电探测器才能互换 使用。
1．辐射源的光谱分布
• 很多光电探测器，特别是光子探测器，其响应是辐射波长的 函数，仅对一定的波长范围内的辐射有信号输出。 • 所以在说明探测器的性能时，一般都需要给出测定性能时所 用辐射源的光谱分布。
随着激光与红外技术的发展，在许多情况下单个 光探测器已个能满足探测系统的需要，从而推动 了阵列(线阵和面阵)光辐射探测器的发展。 目前，光电探测器的另一个发展方向是集成化， 即把光电探测器、场效应管等元件置于同一基片 上。这可大大缩小体积、改善性能、降低成本、 提高稳定性并便于装配到系统中去。 电荷耦合器件(CCD)也是近年来研究的一个重要 方面，其性能达到相当高的水平、将光辐射探测 器阵列与CCD器件结合起来，可实现信息的传输。