PbSe光电导焦平面阵列探测器
华中科技大学《光电探测》3光电子发射探测器
倍增级结构
现在使用的电子倍增系统主要有以下几类： 环形聚焦型 环形聚焦型结构主要应用于侧窗型光电倍增 管。其主要特点为紧凑的结构和快速时间响应特性。
盒栅型 这种结构包括了一系列的四分之一圆柱形 的倍增极，并因其相对简单的倍增极结构和一致性的 改良而被广泛地应用于端窗型光电倍增管，但在一些 应用中，其时间响应可能略显缓慢。
２.NEA阴极中导带的电子逸入真空不需作功。
特点：
1.高吸收，低反射性质； 2.高量子效率，50%~60%, 长波到达9%; 3.光谱响应可以达到1m以上；
4.冷电子发射光谱能量分布较集中，接近高斯分布
5.光谱响应平坦；
6.暗电流小；
7.在可见、红外区，能获得高响应度；
8.工艺复杂，售价昂贵。
§3.2 光电管与光电倍增管的工作原理
一、真空光电管
1、结构与工作原理
真空光电管由玻壳、 光电阴极和阳极三部 分组成 。
真空光电管构造示意图
光电阴极即半导体光电发射材料，涂于玻壳内 壁，受光照时，可向外发射光电子。阳极是金 属环或金属网，置于光电阴极的对面，加正的 高电压，用来收集从阴极发射出来的电子。
优点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积 分灵敏度可达20～200μA/lm；暗电流小，最低 可达10-14A；光电发射弛豫过程极短。 缺点：真空光电管体积大、 工作电压高,达百伏到数百伏、 玻壳容易破碎等
Ik(uA) 3 2 1
Vp(V)
六、线性
造成非线性的原因:
(1) 内因－空间电荷、光电阴极的电阻率、
聚集或收集率的变化；
(2) 外因－由于信号电流造成负载电阻的负
反馈和电压的再分配。
七、稳定性
稳定性是指阳极电流随工作时间的变化，它在闪 烁记数和光度测量中显得很重要。 １.灵敏度的慢漂移
传感器原理及其应用-第10章-红外传感器重点
第10章 红外传感器
10.2 红外传感器
红外传感器是将红外辐射能量的变化转换为电量变化的一种传 感器，也常称为红外探测器。它是红外探测系统的核心，它的 性能好坏，将直接影响系统性能的优劣。选择合适的、性能良 好的红外传感器，对于红外探测系统是十分重要的。
按探测机理的不同，红外传感器分为热传感器和光子传感器两
维恩公式比普朗克公式简单，但仅适用于不超过3000 K的温 度范围，辐射波长在0.4～0.75m 之间。当温度超过3000 K时， 与实验结果就有较大偏差。
从维恩公式可以看出，黑体的辐射本领是波长和温度的函数， 当波长一定时，黑体的辐射本领就仅仅是温度的函数，这就是 单色辐射式测温和比色测温的理论依据。
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第10章 红外传感器
近年来，红外技术在军事领域和民用工程上，都得到了广泛 应用。军事领域的应用主要包括： (1) 侦查、搜索和预警； (2) 探测和跟踪； (3) 全天候前视和夜视； (4) 武器瞄准； (5) 红外制导导弹； (6) 红外成像相机； (7) 水下探潜、探雷技术。
10.2.1 红外光子传感器
红外光子传感器是利用某些半导体材料在红外辐射的照射下， 产生光电效应，使材料的电学性质发生变化。通过测量电学性 质的变化，就可以确定红外辐射的强弱。
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第10章 红外传感器
按照红外光子传感器的工作原理，一般分为外光电效应和内 光电效应传感器两种。内光电效应传感器又分为光电导传感器、 光生伏特(简称光伏)传感器和光磁电传感器3种。 (1) 大部分外光电传感器只对可见光有响应。可用于红外辐射 的光电阴极很少。S-1(Ag-O-Cs)是一种。它的峰值响应波长 是0.8 m，光谱响应扩展到1.2 m。目前外光电效应探测器只用 于可见光和近红外波长范围。
第六章 新型红外传感器要点
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红外探测器（或红外传感器）研究历史（续）
1917 年 ,T.W. 卡斯发明 TiS 光电型红外探测器 , 但长波限仅到 1.1 微米。 30年代末期，德国人研究 PbS光导型探测器，室温工作时长波限为 3微米， 液氮温度时可到5微米。第二次世界大战之后，相继研制成PbTe和PbSe光 电型探测器，响应波长延伸到 7微米。50年代起 ,由于半导体物理学的发 展，光电型探测器所能探测的波长不断延伸。对于有重要技术用途的 1～13微米波段和限于实验室应用的13～1000微米波段，都有适当的光电 型探测器可供使用。 60 年代起 , 又研究成 Hg1-xCdxTe 三元半导体红外探测 器，配制不同组分x的材料,可以制得不同响应波长的红外探测器。 整流型红外探测器也是60年代开始问世的。由于激光的出现,就有可能利 用外差技术进行接收。因此,把微波波段用的结型检波器推广应用到更高 的频率范围，即短毫米波和亚毫米波。
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通过一海里长度的大气透过率曲线
“生命光波”
8-14μm波段的光线与人体发射出来的远红外线的波长相近，能与生 物体内细胞的水分子产生最有效的共振，同时具备渗透功能。
——卢思浩《愿有人陪你一起颠沛流离》
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目
录
一、红外辐射的基本知识
二、红外传感器
三、非致冷红外传感器
四、红外技术应用举例
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红外探测器（或红外传感器）研究历史
1800年，F.W.赫歇耳在太阳光谱中发现了红外辐射的存在。当时，他 使用的是水银温度计，即最原始的热敏型红外探测器。 1830年，L.诺比利利用当时新发现的温差电效应 (也称塞贝克效应 )， 制成了一种以半金属铋和锑为温差电偶的热敏型探测器。称作温差电 型红外探测器 (也称真空温差电偶 )。其后，又从单个温差电偶发展成 多个电偶串联的温差电堆。 1880年，S.P.兰利利用金属细丝的电阻随温度变化的特性制成另一种 热敏型红外探测器,称为测辐射热计。 1947年,M.J.E.高莱发明一种利用气体热膨胀制成的气动型红外探测器 （又称高莱管）。 在40年代，又用半导体材料制作温差电型红外探测器和测辐射热计， 使这两种探测器的性能比原来使用半金属或金属时得到很大的改进。 半导体的测辐射热计又称热敏电阻型红外探测器。
3红外探测器及其制冷
§3 红外探测器及其制冷红外探测器实际上是一种红外线辐射能的转换器。
它把辐射能转换成另一种便于测量的能量形式，多数情况下转换成电能，因为从近代的测量技术看，电量的测量最方便最精确。
对于探测和跟踪目标的探测器，按照探测过程的物理机理，可分为两类，即热探测器和光子探测器，热探测器是利用红外线的热效应而工作的。
当红外线辐射到热探测器上后，探测器材料的温度会上升，温度的变化会引起某些物理特性相应发生改变，利用测量这些物理特性的改变程度来确定红外辐射的强弱，这样的探测器称为热探测器。
热探测器要利用材料受到热辐射后温度的上升来测量的，因而反应时间较长，时间常数一般在毫秒级以上，这类探测器的另一个特点是对全部波长的热辐射（从可见光到极远红外)基本上都有相同的响应，因而有时也称这类探测器为无选择性探测器。
光子探测器是利用红外线中的光子流射到探测器上后，和探测器材料(都为半导体材料)中的束缚态电子作用后，引起电子状态的变化，从而产生能逸出表面的自由电子，或使材料的电导率改变，或产生一个电动势，以此来探测红外线。
光子探测器的反应时间短，最短的时间常数可达毫微秒(10)数量级。
要使物体内部的电子改变运动动态，入射的光子能量必须足够大。
由于一个光子的能量与光的波长有关，波长越长，光子能量越小。
当光子能量小于某一值时，就不能使束缚状态电子变成载流子或能逸出材料表面的自由电子。
换言之，光子探测器仅对具有足够能量的光子有响应，也即对光子探测器来说，存在一个长波限，当入射红外线的波长大于长波限时，光子探测器不起反应。
热探测器和光子探测器有不同的优缺点，光子探测器的灵敏度高，反应时间短，但是一种探测器只适用于一定的波长范围，使用时往往需要冷却。
热探测器的灵敏度不如前者高，反应也慢，然而它具有不需冷却和全波段有平坦响应的两大特点。
在导弹的红外制导系统中，由于要求灵敏，反应快。
一般采用光子探测器。
一、光子探测器光子探测器是基于入射光子对探测器材料内的电子作用而产生的光电子效应而工作的。
硒化铅
PbSe硒化铅分子式：PbSe lead selenide性质：灰色或灰黑色结晶粉末。
立方晶系结构，密度8.10g/cm3。
熔点1065℃。
溶于硝酸和热浓盐酸中，不溶于水。
真空中由铅和硒直接反应，或用氢还原亚硒酸铅制取。
用于制造光敏电阻和红外检测器等。
PbSe是一种具有立方结构窄禁带的半导体材料，晶格常数0.6122nm，常压下其密度8.15g/cm，熔点1065℃。
PbSe具有很多独特的物理性能，如介电常数高，载流子迁移率高[1]（室温下空穴迁移率约为300cm/（vs）），直接带隙窄（E0：:028 -0.41eV）,并具有电子导电性能，即具有金属特性。
这类半导体都是从研究红外探测器发展起来的。
由于这类材料禁带窄, 具有良好的光电导效应, 噪声低,对外界条件的影响反应比较灵敏,适用于制造敏感器件。
近几年，科学家已经在纳米晶PbSe、PbS、PbTe等材料中观察到了“多载流子效应”，俗称“雪崩效应”。
利用PbSe等纳米半导体材料制作的太阳能电池最高理论转换效率可望达到44%。
因此，PbSe纳米晶材料在太阳电池材料、光敏传感器材料、光催化材料等方面具有广阔的基础研究及应用前景。
参考资料1．斯剑霄,吴惠桢,徐天宁,曹春芳．PbSe外延薄膜空穴迁移率及其声子散射机理：半导体学报，2007 ．2.2. Product characterizations2.2。
产品特征这个阶段的纯洁性作为合成的产品进行了XRD使用Bruker x射线衍射仪(D / max-3A CuK 模型,,= 1.5418一个,德国)。
这个扫描速率为0.06年代−1应用和模式是记录在2范围10 - 80。
表面形态的研究和准备产品扫描电子显微分析仪(SEM,地产- 5910、日本)。
EDX进行一个日立s - 4700配备能量色散x射线谱仪。
透射电子显微镜的研究了由在透射电子显微镜(TEM,jem - 100CXII、日本)装置与加速电压200伏特。
红外技术
红外波段分为短 波红外(SWIR)1～3μ m 波 段 ， 中 波 红 外 (MWIR)3～5μ m波段和 长 波 红 外 ( LWIR)8～ 14μ m波段。
红外辐射与红外吸收
任何物体都能辐射红外线，也能吸收红外 线，辐射与吸收都是能量转换过程。 热辐射就是热能转换成辐射能的过程，而 热吸收则是辐射能转变成热能的过程。
二、红外探测器分类
红外探测器可以分为两大类
一类是热探测器
热探测器接收红外辐射以后，先引起温度变化，温 度变化引起电信号输出。输出的电信号与温度的变 化成比例，而温度变化是因为吸收热辐射能量引起 的，与吸收红外辐射波长没有关系，对红外辐射吸 收没有波长选择性。
另一类是光子探测器
接收红外辐射以后，由于 红外光子直接把材料的束 缚态电子激发成传导电子， 所以引起电信号输出，信 号大小比例于吸收的光子 数。这些红外光子的能量 的大小，必须能达到足以 激发束缚态电子，才能起 这种激发作用。
由上可见，武器装备辐 射的红外线，大都在1～ 10μm之间，所以，前面介 绍的短波红外、中波红外和 长波红外三个大气窗口，在 军事应用上最为重要。 红外热像仪是利用物体 自身发射的红外线，靠 接收景物各部分辐射的 红外线图像而后，再转 变成可见图像的装置。
红外技术用于夜视，是由
于其工作原理决定的，它 的许多特点使它不只用于 夜视，还可用于探测、跟 踪、侦察、告警、火控、 图是热像仪夜间拍摄的热图像，它是景物的 热图，不受有无阳光照射的影响。 红外技术的核心是高灵敏度地接收红外线， 并把它转变成电信号输出。 制导以及工业、农业、医 学、科研等各个领域。
峰值波长与温度成反比， 即λmT=常数≈2898。此关 系称为维恩位移定律。
下图说明黑体的温度、光谱辐射通量 密度和辐射的波长之间的关系。
红外技术的应用和前景
红外技术的应用及前景红外技术的应用及前景 (1)摘要 (2)第1章绪论 (2)第2章红外探测技术 (4)摘要本文在第一章中主要介绍了红外线的基础、红外线的特性以及红外技术的发展历史，在第二章中，重点介绍了红外线在探测方向的应用，以及不同的红外探测器的分类和特性，并且通过对探测原理的推导，了解探测器工作的方法,最后介绍了红外探测器的发展前景。
关键字：红外线、探测器第1章绪论1.1引言目前红外技术作为一种高技术，它与激光技术并驾齐驭，在军事上占有举足轻重的地位.红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等在现代和未来战争中都是很重要的战术和战略手段.在70年代以后，军事红外技术又逐步向民用部门转化.红外加热和干燥技术广泛应用于工业、农业、医学、交通等各个行业和部门.红外测温、红外测湿、红外理疗、红外检测、红外报警、红外遥感、红外防伪更是各行业争相选用的先进技术.标志红外技术最新成就的红外热成像技术，它与雷达、电视一起构成当代三大传感系统，尤其是焦平面列阵技术的采用，将使它发展成可与眼睛相媲美的凝视系统.1.2红外简介1.2.1红外线概述1672年，牛顿使用分光棱镜把太阳光（白光）分解为红、橙'黄'绿、青、蓝、紫等各色单色光，证实了太阳光（白光）是由各种颜色的光复合而成。
1800年，英国物理学家F. W.赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，偶然发现放在光带红光外的一支温度计，比其他色光温度的指示数值高.经过反复试验，这个所谓热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面.于是他宣布：太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的“热线"，这种看不见的“热线”位于红色光外侧，叫做红外线.这种红外线，又称红外辐射，是指波长为0.78~1000四的电磁波.其中波长为0.78~1.5网的部分称为近红外，波长为1.5~10H m的部分称为中红外，波长为10~1000削的部分称为远红外线.而波长为2.0-1000pm的部分，也称为热红外线.红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。
红外红外传感器电路图及工作原理
红外红外传感器电路图及⼯作原理红外红外传感器电路图及⼯作原理Infrared IR Sensor Circuit Diagram and Working Principle红外传感器是⼀种电⼦设备，它发射是为了感知周围环境的某些⽅⾯。
红外传感器既能测量物体的热量，⼜能检测物体的运动。
这些类型的传感器只测量红外辐射，⽽不是发射被称为被动红外传感器。
通常，在红外光谱中，所有物体都会发出某种形式的热辐射。
这些类型的辐射对我们的眼睛是看不见的，可以通过红外传感器探测到。
发射器只是⼀个红外发光⼆极管（发光⼆极管），探测器只是⼀个红外光电⼆极管，对红外发光⼆极管发出的相同波长的红外光敏感。
当红外光照射到光电⼆极管上时，电阻和输出电压将随接收到的红外光的⼤⼩⽽成⽐例变化。
红外传感器电路图及⼯作原理红外传感器电路是电⼦设备中最基本、最常⽤的传感器模块之⼀。
这种传感器类似于⼈类的视觉感官，可以⽤来检测障碍物，是实时检测中常⽤的应⽤之⼀。
该电路由以下部件组成· 2 IR transmitter and receiver pair· Resistors of the range of kilo-ohms.· Variable resistors.· LED (Light Emitting Diode).LM358 IC2红外收发对千欧姆范围内的电阻器。
可变电阻器。
LED（发光⼆极管）。
IR Sensor Circuit在本项⽬中，发射器部分包括红外传感器，其发射连续的红外射线以供红外接收器模块接收。
接收器的红外输出端根据其接收到的红外光线⽽变化。
由于这种变化不能这样分析，因此可以将该输出馈送到⽐较器电路。
这⾥使⽤LM 339的运算放⼤器（运放）作为⽐较器电路。
当红外接收器不接收信号时，反转输⼊处的电势⾼于⽐较器IC的⾮反转输⼊（LM339）。
因此⽐较器的输出变低，但LED不发光。
光电检测技术复习(汇总)
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我的老师说过：光电技术人员应具备不怕黑、不怕冷、不怕密闭的专业素质.
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基本特性 光敏电阻的基本特性参数包括光电特性、 伏安特性、 温度特性、 时间响应、 光谱响应等。 1) 光电特性--电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏 定义光敏电阻 γ 值时必须说明其照度范围，否则 γ 值没有实际意义。 光敏电阻的 γ 值反映了在照度范围变化不大或照度 的绝对值较大甚至光敏电阻接近饱和情况下的阻值 与照度的关系。 2) 温度特性 光敏电阻为多数载流子导电的光电器件，具有复杂 的温度特性。 降低或控制光敏电阻的工作温度是提高光敏电阻工作 稳定性的有效方法。这对长波长红外辐射的探测极为 重要。 温度升高导致： 载流子的定向移动性变差，大量的光生载流子热运 动剧烈发生复合。 半导体、光生伏特效应也是此温度特性。 3) 时间响应（惯性，与入射辐射信号的强弱有关）
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6) 光电二极管与电子二极管的区别？ 光电二极管 流动 电子流向 流动少子，电流弱 加反向偏压， 增大内建电场 电子二极管 流动多子，电流强 加正向偏压，抵消内建电场
问题六 常见器件名称英文缩写全称 PMT： Photo-multiple tube 光电倍增管 APD： Avalanche Photo Diode 雪崩光电二极管 PSD： Position Sensing Detector 光电位置敏感器件 CCD： Charge-coupled Device 电荷耦合元件 CMOS：Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补金属氧化物(PMOS 管和 NMOS 管)共同构成的互补型 MOS 集成电路制造工艺
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增大线宽，而不是长度
4. 光生伏特效应（重点） 1) 光生伏特效应是什么？ 基于半导体 PN 结基础上的一种将光 能转换成电能的效应。当入射辐射作 用在半导体 PN 结上产生本征吸收时， 价带中的光生空穴与导带中的光生电 子在 PN 结内建电场的作用下分开， 并分别向如图 1-11 所示的方向运动， 形成光生伏特电压或光生电流的现象。 2) PN 结形成过程中载流子的流动？ i. P 区空穴为多子，电子为少子，空穴浓度高，N 区相反，在浓度 梯度的牵引下，P 区空穴向 N 区移动，N 区电子向 P 区移动，扩 散过程中伴随着复合； ii. 形成内建电场，方向 N->P，内建电场阻碍扩散运动的进一步进 行，将空穴导向 P 区，电子导向 N 区； iii. 内建电场力 = 扩散力，二者达到动态平衡，中间区域形成少数 载流子移动的区域， 称为耗散区， 为光生载流子的捕捉和探测提 供场所。
低功耗、高灵敏的Bi2O2Se光电导探测器
低功耗、高灵敏的Bi 2O 2Se 光电导探测器*李丹阳 韩旭 徐光远 刘筱 赵枭钧 李庚伟†郝会颖 董敬敬 刘昊 邢杰‡(中国地质大学(北京)数理学院, 北京 100083)(2020 年7 月2日收到; 2020 年8 月28日收到修改稿)窄带隙二维半导体材料Bi 2O 2Se 由于其具有较高的载流子迁移率和优异的热学、化学稳定性, 在紫外-可见-近红外光谱区的光电子学领域有着广阔的应用前景. 本文通过化学气相沉积法合成了大面积高质量的Bi 2O 2Se 单晶薄膜, 讨论了温度对薄膜形貌的影响规律, 并在此基础上制备了Bi 2O 2Se 光电导探测器, 分别研究了Bi 2O 2Se 在云母基片和氧化硅基片上的光电性能. 在532 nm 光照下, 源漏电压仅为0.5 V 时, 云母片上的Bi 2O 2Se 薄膜的光电响应度和比探测率高达45800 A/W 和2.65 × 1012 Jones (1 Jones = 1 cm·Hz 1/2·W –1),相应的光电增益超过105. 研究结果表明 Bi 2O 2Se 在低功耗、高灵敏度的光电器件中具有优异的探测潜力.关键词：二维材料, Bi 2O 2Se, 化学气相沉积, 光电导探测器PACS ：85.60.Gz, 81.15.Gh, 81.10.–h DOI: 10.7498/aps.69.202010441 引 言(Bi 2O 2)2n +n (Se )2n −n 二维(two dimensional, 2D)材料由于其具有超薄的原子层厚度、可调谐的能带结构、超大的比表面积及丰富的物理化学性质, 在光电探测器、发光二极管、太阳能电池及各种柔性传感器件、能源、环境催化等领域得到了广泛的应用研究[1−6].最近, 2D 层状材料Bi 2O 2Se 引起了很多人的关注.Bi 2O 2Se 具有四方晶系结构和I 4/mmm 的空间群对称性(a = b = 3.8, c = 12.16), 如图1(a)所示,Bi 2O 2Se 的晶体结构由阳离子层 和阴离子层 交替堆叠而成, 层与层之间由相对较弱的静电力结合在一起, 层厚为0.61 nm [7−9]. 此外, Bi 2O 2Se 具有更高的化学和热学稳定性, 非常优异的霍尔迁移率(1.9 K: 29000 cm 2·V –1·s –1, 室温: 450 cm 2·V –1·s –1). Bi 2O 2Se 的带隙只有0.8 eV,并且由于量子限域效应, 其带隙还会随着层厚的增加而减小[10,11]. Fu 等[7]报道了厚度为8 nm 的Bi 2O 2Se 光电晶体管, 在532 nm 光激发, 栅极电压为–25 V 时, 其响应度(responsivity, R )和比探测率(specific detectivity, D *)分别达到3.6 × 104A/W 和9 × 1013 Jones (1 Jones = 1 cm·Hz 1/2·W –1).Tong 等[12]报道的高灵敏宽光谱范围(360—1800 nm)的 Bi 2O 2Se 光电晶体管, 在405 nm 处V gs = 12 V 时获得的响应度和比探测率分别为50055 A/W 和8.2 × 1012 Jones, 且表现出32 µs 的超快光电响应速度. 这些Bi 2O 2Se 光电器件虽然具有非常高的光电灵敏度, 但是它们优秀的性能指标均是在一定的栅压下获得的. 特别是比探测率,通过栅压调控沟道载流子浓度, 使场效应管处于截止态, 暗电流可以降低几个数量级, 从而获得较高的光电性能. 但栅压偏置会带来额外的能耗, 这将不利于Bi 2O 2Se 在低功耗光电器件中的应用.* 国家自然科学基金(批准号: 11974318)资助的课题.† 通信作者. E-mail: ligw @ ‡ 通信作者. E-mail: xingjie @© 2020 中国物理学会 Chinese Physical SocietyBi 2O 2Se 光电器件在无门压调制下的工作也有报道, 例如Liu 等[13]制备了金属-半导体-金属结构的Bi 2O 2Se 平面光电探测器, 在没有栅压的条件下, 其最大光电响应度为6 A/W, 比探测率为1.3 × 108 Jones. Luo等[14]构建了PbSe 胶体量子点(colloidal quantum dots, CQDs)敏化的Bi 2O 2Se 光电探测器, 通过PbSe 和Bi 2O 2Se 之间形成II 型能带补偿界面, 显著提高了器件的光电响应度, 在没有栅压下500 nm 处的响应度达到了～103 A/W. 但是CQDs 成本昂贵, 敏化工艺复杂,并且含有重金属Pb, 特别是敏化后器件暗电流增加了1个数量级, 这些对于器件的应用来说都是不利的. 因此优化制备工艺, 提高薄膜本身的晶体质量, 进而提高器件在低能耗下的光电性能仍然是一项具有挑战性的工作.本文使用化学气相沉积(chemical vapor depo-sition, CVD)法在云母上合成了大面积高质量的2D Bi 2O 2Se 薄膜, 并在此基础上制备了光电导探测器. 室温下, 云母上的Bi 2O 2Se 薄膜光电导探测器表现出优异的光电性能, 在没有栅压调控的条件下, 其响应度和比探测率分别高达45800 A/W 和2.65 × 1012 Jones, 光增益为105613, 其结果可以和目前报道的最好器件性能相比拟[7,9,12,15].Se Bi OBi 2Se 3Bi 2Se 3+2Bi 2O 3=3Bi 2O 2SeBi 2O 2SeBi 2O 3f -mica=137.38 m m=95.57m m(a)(b)图 1 (a) 层状Bi 2O 2Se 晶体结构示意图; (b) CVD 法合成Bi 2O 2Se 实验装置示意图; (c)—(e) 云母上Bi 2O 2Se 薄膜不同放大倍数的光学照片; (f)云母上Bi 2O 2Se 纳米线光学照片Fig. 1. (a) Schematic diagram of the layered Bi 2O 2Se crystal structure; (b) schematic diagram of the CVD experimental setup for synthesis of Bi 2O 2Se film; (c)–(e) optical images of Bi 2O 2Se thin films grown on mica at different magnifications; (f) optical image of Bi 2O 2Se nanowires grown on mica.2 实 验2.1 Bi2O2Se薄膜的制备采用一步CVD法在云母上合成了Bi2O2Se薄膜. CVD装置是一个单温区的管式炉(OTF-1200X,合肥科晶), 石英管外径为60 mm, 长为1.2 m. 实验装置如图1(b)所示, 首先将Bi2Se3(99.99%, Alfa Aesar)和Bi2O3粉末(99.999%, Alfa Aesar)装入石英舟中并置于石英管内, 其中Bi2O3位于管式炉中心高温区域, Bi2Se3位于石英管上游, 和中心相距6 cm, 将新剥离的云母片放置在下游, 距离Bi2O3 18—21 cm之间. 然后将石英管密封抽真空,并用高纯度Ar气体冲洗, 以提供无氧环境, 实验过程中一直通Ar作为载气, 其恒定流速设置为50—100 sccm (1 sccm =1 mL/min). 具体生长过程为: 首先将管式炉升温至目标温度, 升温速率设置为10 ℃/min, 到达目标温度后保温～40 min.生长结束后炉子自然冷却至室温, 开腔取样.2.2 聚苯乙烯(polystyrene, PS)辅助的转移方法采用PS辅助的非腐蚀性转移方法将Bi2O2Se 薄膜转移到Si/SiO2衬底上. 首先将Si/SiO2基片依次在乙醇、异丙醇和去离子水中超声清洗 10 min 并烘干备用. 然后通过匀胶机(SPIN-1200 D)将配置好的PS溶液在2000 r/min下旋涂在样品表面,时间约为45 s, 并在自然环境下干燥10 min. 然后在去离子水(DI)的帮助下将PS 薄膜和Bi2O2Se 一起从云母上剥离开, 同时将带有Bi2O2Se的PS 薄膜转移至 Si/SiO2衬底上, 分别在80 ℃下干燥10 min, 并在130 ℃的热板上加热30 min, 以改善Bi2O2Se与Si/SiO2衬底的接触. 最后将样品浸入到甲苯溶液中浸泡10 min以去除PS薄膜, 再浸入丙酮中去除有机残留物. 这样, 可以成功实现Bi2O2Se薄膜从云母基片到Si/SiO2基片上的转移.2.3 器件的制备与表征通过光学显微镜(Olymbus BX53 M)、原子力显微镜(Bruker Multimode 8)和显微共焦激光拉曼光谱仪(Reinshaw invia-Reflex)对Bi2O2Se进行形貌、结构表征. 然后通过紫外光刻技术和热蒸发镀膜设备在Bi2O2Se薄膜上制备金属电极, 具体过程如下: 1)通过紫外光刻技术制备电极图案. 首先将样品用去离子水进行清洗, 并在氮气气氛下烘干, 冷却后在样品上旋涂光刻胶(AZ6130), 转速和时间分别为4000 r/min和60 s, 然后放在烘箱中煎膜1 min, 将样品放到紫外光刻机中进行曝光,约9 s. 最后将曝光后的样品置于显影液中显影1 min并用去离子水清洗, 这时掩膜版上的图形被成功转移到光刻胶薄膜上. 2)利用热蒸发镀膜设备(北京泰科诺科技有限公司, 高真空电阻蒸发镀膜机XHD-400)蒸镀电极, 采用Cr/Au(5 nm/50 nm)作为金属电极. 电极制备好后, 再用丙酮和无水乙醇洗去剩余的光刻胶, 最终完成器件制备. 本实验的光电测试采用探针台(Semishare)和Keithley 2634B源表完成, 光源采用功率可调的532 nm激光.3 结果与讨论通过CVD法在云母上合成了Bi2O2Se薄膜.在实验中, Bi2Se3和Bi2O3粉末作为原料分别提供Bi, Se和O. 在CVD生长Bi2O2Se的过程中, 有两种可能的生长机制: 第一种, Bi2O3分子首先吸附在云母基片上并随之扩散, 然后不断与周围环境中的Bi2Se3分子反应生成Bi2O2Se薄膜; 第二种, Bi2O3和Bi2Se3在气相中首先反应生成Bi2O2Se 团簇, 然后再吸附在衬底上, 形核生长. Tong等[12]在盛有Bi2O3粉末的小舟上倒扣了云母基片, 他们在云母片上获得了Bi2O2Se薄膜, 经过分析, 认为Bi2O3分子先在基片上成核, 再和环境中的Bi2Se3分子反应生成Bi2O2Se薄膜, 而Bi2O3粉末处的温度为550—630 ℃. Peng课题组[16]利用氧化铋薄膜硒化反应制备Bi2O2Se, 反应温度为500 ℃. 这些实验表明打断Bi—O键需要比较高的温度. 在我们的实验中(图1(b)), 云母基片位于石英管下游20 cm附近, 由于此处温度只有400—450 ℃, 该温度不足以提供氧化铋的硒化反应. 因此推测在我们的实验中更可能是第二种生长机制主导, 即在中心位置附近生成Bi2O2Se团簇再迁移到下游, 沉积在基片上. 与过渡金属硫属化合物中的范德瓦耳斯相互作用相比, Bi2O2Se层间静电相互作用较强, 这会导致Bi2O2Se更倾向于沿垂直方向生长[14,17], 所以需要选择合适的衬底来减少其垂直生长的趋势以制备超薄的、大面积的2D Bi2O2Se薄膜. 众所周知, 云母具有高的热稳定性和光滑的惰性表面,原子在其表面迁移能垒很小. 并且云母的K+层和Bi2O2Se的Se2–层之间存在较强的静电相互作用,促进了籽晶层Bi2O2Se沿云母表面生长[18]. 因此本文将新鲜剥离的云母片用于Bi2O2Se的生长. 在生长过程中, Bi2O2Se团簇在云母片上的成核位置是随机的, 从能量的角度来说, 它更易于在表面有缺陷或者台阶边缘等位置成核. 当第一层Bi2O2Se分子在云母上成核后, 由于Bi2O2Se表面无悬挂键,缺少合适的吸附位点, 后续的分子更倾向于吸附在已有晶核的边缘, 因而Bi2O2Se薄膜将不断沿横向方向生长. 当然, 随着面积的增加, 表面能也在不断升高, 最后导致横向生长结束. 图1(c)—(e)为不同倍率下生长在云母片上的Bi2O2Se薄膜的光学图像. 可以看出Bi2O2Se大小分布在几十微米到150 µm之间. 由图1(d)和图1(e)可以清楚地看到Bi2O2Se呈现规则的正方形或矩形, 通过精确调整生长参数(如生长温度、载气流速和生长时间等), 可以获得超过100 µm的大面积的Bi2O2Se薄膜. 此外, 当生长温度相对较低(如620—640 ℃)时, 分子扩散率较低, 管内反应物分子浓度较低,此时生长过程以动力学过程为主, 在这种情况下,云母片上Bi2O2Se更容易沿一维方向生长, 长成纳米线的形貌[19,20], 如图1(f)所示.管式炉的温度对Bi2O2Se生长非常重要, 控制管式炉温度分别为640, 660, 680 ℃, 在三种温度下生长的样品光学照片如图2(a)—(c)所示. 从3幅图可以清楚地看到在这3个温度下都可以获得矩形的Bi2O2Se薄膜, 但是它们的分布密度和大小十分不同. 在温度较低和较高的情况下, 薄膜成核点数量较多, 但是尺寸普遍较小, 而在660 ℃下薄膜成核点数量很少, 但是每个单畴的Bi2O2Se的尺寸较大. 图2(d)为Bi2O2Se尺寸分布图, 可以更直观地看到纳米片尺寸随温度的变化. 随着温度的升高, Bi2O2Se薄膜尺寸呈现出先增加后减小的变化趋势. 当衬底温度相对较低时, 由于临界形核自由能低, 前驱体容易形核, 形核密度较大, 但是受分子扩散速率较低的影响, 薄膜尺寸较小. 当进一步升高温度时, 临界核半径和成核自由能势垒均增大, 导致成核困难, 成核密度相应降低, 同时分子热运动动能增加, 促进了前驱体分子的表面扩散和互相反应, 因此Bi2O2Se单畴面积较大. 然而, 当继续升高温度超过某一临界值时, 过高的温度会造成分子热动能过大, 分子运动比较活跃, 造成前驱体分子容易解吸附, 最终导致Bi2O2Se尺寸又变小.Bi2O2Se薄膜的原子力显微镜图像如图3(a)所示, 可以看到其厚度约为20 nm, 根据单层的理论306090120150Size/mmTemperature/C(a)(c)(b)图 2 生长温度对Bi2O2Se薄膜形貌及尺寸分布的影响 (a)—(c) 不同生长温度下云母上Bi2O2Se薄膜的光学照片; (d) 不同生长温度下Bi2O2Se的尺寸分布图, 不同颜色代表不同尺寸范围的Bi2O2SeFig. 2. Effect of growth temperature on the morphology and the size distribution of Bi2O2Se films: (a)–(c) Optical images of Bi2O2Se thin films grown at 640, 660, 680 ℃, respectively; (d) size distribution of Bi2O2Se films prepared at different growth temperatures. Different color denotes different size range.厚度0.61 nm [9], 20 nm 约等于32层的厚度. 图3(b)是在室温532 nm 激光激发下Bi 2O 2Se 的拉曼光谱, 其光学声子振动模式A 1g 特征峰位于157.7 cm –1处, A 1g 模式是由于Bi 原子沿晶体z 轴的面外振动引起的, 原子振动模式如图3(b)插图所示[21,22].I ph =A ×P α在云母片上原位制备了Bi 2O 2Se 光电导探测器, 图4(a)为器件的光学照片. 器件的电流-电压关系曲线如图4(b)所示, 其线性行为表明金属电极和Bi 2O 2Se 之间形成了良好的欧姆接触. 器件在0.5 V 偏压下暗电流只有10 nA, 功耗只有5 nW.当用波长为532 nm 的激光辐照, 光功率密度为0.064 mW/cm 2时, 光电流达到0.24 µA, 此时光暗电流比为24. 图4(b)中插图为器件时间响应的光波图, 可以看出器件具有很好的光开关特性, 器件的上升时间和下降时间差不多, 约为0.2 s. 图4(c)为光电流(I ph )随光功率密度(P )变化的关系曲线,可以通过 公式进行拟合, 其中A 是比例系数, a 是拟合参数. 从图中可以看到, a 值接近于1, 说明光电流主要是由于光电导效应引起的,同时也表明我们制备的Bi 2O 2Se 薄膜晶体质量较高, 缺陷较少. 可以看到当偏压为0.5 V 时, 随着光功率密度从0.013 mW/cm 2增加到0.064 mW/cm 2,光电流从0.07 µA 增加到了0.23 µA. 光电流响应度和比探测率是评定光电探测器性能的重要参数,假设散粒噪声是暗电流的主要来源, 其表达式为其中, R 为光电响应度, P 是入射光功率密度, S 是有效照明面积, D *为比探测率, e 为单位电量, I dark为暗电流. 由(1)式和(2)式计算可得在入射光功率为0.013 mW/cm 2, 偏置电压为0.5 V 下, 响应度为45800 A/W, 比探测率达到2.65 × 1012Jones. Liu 等[13]和Luo 等[14]报道的Bi 2O 2Se 光电探测器(厚度分别为9.8 nm 和6.2 nm)在500 nm 处获得的响应度分别约为2.6 A/W 和103 A/W.Wu 等[15]制备了2D Bi 2O 2Se 阵列集成光电探测器(厚度为5 nm), 在532 nm 处光电响应度为2000 A/W. 相比较, 我们的探测器指标优于很多其他研究组报道的结果[9,13−15], 这可能和我们生长的Bi 2O 2Se 薄膜具有比较高的晶体质量和比较合适的厚度(20 nm)有关. 因为与单层或少层薄膜相比, 多层薄膜态密度远高于单层样品, 对光的绝对吸收量更大, 可以产生更高密度的光电流.光增益(G )是表征光电器件性能的另一个重要参数, 它定义为每个被吸收的入射光子可收集到的电子数. 它可以通过(3)式计算其中, h 为普朗克常数, c 为光速, l 为入射光波长.由(3)式计算出的G 值如图4(d)所示, 在入射光功率为0.013 mW/cm 2, 偏置电压为0.5 V 时, 最大光增益高达105613. 对于光电导探测器来说, 光增益还可以表示为G = t /t t , 式中t 为光生载流子寿命, 而t t 为沟道载流子的渡越时间. 这里t t =L /µE = L 2/µU , 其中, L 为两电极间距, µ为迁移率, E 为两极间电场强度, U 为外加电压. 对于本文器件来说, 高增益意味着载流子寿命长, 电子迁移率高, 这再次说明我们制备的Bi 2O2Se 薄膜质量较高, 无序、缺陷态导致的复合中心较少. 从图4(d)120130140150160170180190Raman shift/cm -1I n t e n s i t y /a r b . u n i t s 532 nm Bi 2O 2SeA 1g25-25nm 20 n m10 m m(a)(b)图 3 (a) Bi 2O 2Se 薄膜的原子力显微镜照片; (b) Bi 2O 2Se 薄膜的拉曼光谱, 插图代表A 1g 振动模式中各原子间的相对运动Fig. 3. (a) Atomic force microscope image of a typical Bi 2O 2Se thin film with a thickness of 20 nm; (b) Raman spectrum of Bi 2O 2Se thin film. The inset shows the relative motion of atoms in the A 1g mode.可知, 光增益随着偏压的增加而增加, 但随着光功率密度从0.013 mW/cm 2增加到0.064 mW/cm 2,光增益降低, 这是因为随着光功率密度的增加, 光生载流子的数目也随之增加, 导致载流子复合率升高, 寿命变短. 与其他2D 半导体材料光电器件相比(如表1), 我们的Bi 2O 2Se 光电探测器在光电灵敏度和比探测率方面均表现出了优异的性能.我们还进一步研究了云母基片上Bi 2O 2Se 纳米线的光电行为. 图5(a)为器件在暗态和不同光功率照明下的I ds -V ds 特性, 其插图为Bi 2O 2Se 纳米线器件的光学照片. 可看出I ds -V ds 曲线呈现非常好的线性关系, 表明金属电极和材料之间为欧姆接触, 在光功率密度为636.9 mW/cm 2, 偏置电压为1 V 时, 光电流达到了65.3 nA, 光暗比达到102.在光功率密度为127.4 mW/cm 2和偏压为1 V 时,R 和D *最大值分别为0.071 A/W 和1.63 × 108Jones (图5(b)). 与前面矩形的Bi 2O 2Se 器件相比,Bi 2O 2Se 纳米线光电探测器的R 和D *要小很多,表 1 Bi 2O 2Se 与其他2D 半导体光电晶体管性能比较(ME, 机械剥离)Table 1. Comparison of the performance of Bi 2O 2Se with other 2D semiconductor phototransistors (ME represents mechan-ical exfoliation method).Materials Fabrication methodResponsivity/A·W –1Detectivity/JonesRise time/msReference MoS 2ME 4341011120[23]ReS 2CVD 12081010—[24]SnS 2CVD 167—100[25]SnSe 2CVD 1000101014.5[26]In 2Se 3ME 5910110.18[27]Graphene CVD 0.7310130.32[28]BP ME 4.8 × 10–3——[29]Bi 2O 2SeCVD458001012200This work-0.6-0.4-0.200.20.40.6ds /Vd s /n Ad s /a r b . u n i t s 3002001000-100-200-300510152025Time/sDark0.013 mW/cm 20.038 mW/cm 20.064 mW/cm 2Laser 532 nmp h /n ALight intensity/mW S cm -2102101s d10 m m151050G a i n /1040.0130.0380.064Light intensity/mW S cm -210561350531143970.1 V 0.3 V 0.5 V(b)(a)(d)(c)图 4 (a)云母片上Bi 2O 2Se 光电导器件的光学图像; (b)不同光功率密度下Bi 2O 2Se 器件的I ds -V ds 曲线, 插图为器件时间响应的方波图; (c)不同偏置电压条件下, 光电流(I ph )与光功率密度的关系; (d)不同偏置电压条件下, 光增益与光功率密度的关系Fig. 4. (a) Optical image of a Bi 2O 2Se photoconductive detector on mica; (b) I ds -V ds curves of Bi 2O 2Se device under illumination by laser with different optical powers; (c) light power dependence of photocurrent (I ph ) under different bias; (d) relationship between light gain and light power under different bias.这是因为该器件沟道长度为50 µm, 约为图4中器件沟道长度(5 µm)的10倍, 在相同偏压下, 电场强度将减弱为原来的1/10, 不利于光生载流子的收集. 另一个更重要的原因是由于我们实验中所用光源光功率密度较大(光功率密度比前面大了2000倍, 没有经过滤光片衰减), 这时光生载流子寿命较短, 导致光增益下降, 灵敏度和比探测率降低.为了和半导体工艺相兼容, 将云母基片上生长的矩形Bi 2O 2Se 薄膜转移到Si/SiO 2衬底上, 评估转移后Bi 2O 2Se 的光电性能. 图6(a)为Si/SiO 2衬底上Bi 2O 2Se 光电器件结构示意图, 在暗态和不同光功率的532 nm 激光辐照下, 器件的电流-电压数据如图6(b)所示, 在V ds = –1 V 时, 暗电流低至2.4 nA, 并且在636.9 mW/cm 2光功率密度下-80-60-40-200204060800.51.0d s /n Ads /V50 m mR e s p o n s i v i t y /A S W -1Light intensity/mW S cm -2图 5 (a) 不同光功率下Bi 2O 2Se 纳米线光电探测器的I ds -V ds 曲线, 插图为器件光学图像; (b) 在不同入射光功率密度下器件的响应度和比探测率Fig. 5. (a) I ds -V ds curves of Bi 2O 2Se nanowire photodetector on mica under different light powers. Inset is an optical image of the device. (b) Responsivity and specific detectivity of the device at different light powers.1098765G a i n p h /m ALight intensity/mW S cm -2 ds =1 VLight intensity/mW S cm -280604020D e t e c t i v i t y /1010 J o n e sR e s p o n s i v i t y /A S W -1LightBi 2O 2SeCr/Aup h /m A0-2-4-6-8-10-12-14-16ds /Vdark T Laser 532 nmDark127.4 mW/cm 2382.2 mW/cm 2636.9 mW/cm 250 m m(a)(b)(c)(d)图 6 (a) Si/SiO 2衬底上的Bi 2O 2Se 器件示意图; (b) 不同光功率下Bi 2O 2Se 探测器的I ds -V ds 行为, 插图为器件的光学图像; (c) I ph 、光增益与光源功率密度的关系; (d) Bi 2O 2Se 探测器的响应度和比探测率对光源功率密度的依赖关系Fig. 6. (a) Schematic diagram of the Bi 2O 2Se photodetector on a Si/SiO 2 substrate; (b) I ds -V ds of Bi 2O 2Se detector under different light powers, the inset is an optical image of the device; (c) under different biases, the relationship between photocurrent, optical gain and light intensity; (d) light power dependence of responsivity and specific detectivity of the Bi 2O 2Se detector.光暗比达到103. 当入射光功率为636.9 mW/cm 2,偏置电压为–1 V 时, 其光电流可以达到14.4 µA.从图6(c)可以看出光电流随光功率的增加而增加,而光增益却与之相反, 在V ds = 1 V, 光功率为127.4 mW/cm 2时, G 值达到127. 图6(d)为器件在不同光功率密度下获得的光响应度和比探测率,可以看到响应度和比探测率均随光功率密度的增大而减小. 在入射光功率密度为127.4 mW/cm 2,偏置电压为1 V 时, 响应度达到55.1 A/W, 比探测率高达1.82 × 1010 Jones, 这里响应度仍远远高于商用硅光电器件的响应度0.78 A/W [30].4 结 论本文通过CVD 法成功制备了大面积高质量的Bi 2O 2Se 薄膜, 在660 ℃真空条件下薄膜横向尺寸可达100 µm, 且在温度较低(620—640 ℃)时获得了Bi 2O 2Se 纳米线. 基于云母基片上Bi 2O 2Se 的光电导探测器在入射光功率为0.013 mW/cm 2、偏置电压为0.5 V 时, 光电响应度、比探测率和光增益分别达到45800 A/W, 2.65 × 1012 Jones 和105613. 这些指标优于很多其他2D 材料光电器件,并且可以和最好的Bi 2O 2Se 器件结果相比拟.Bi 2O 2Se 纳米线和转移到Si/SiO 2上的Bi 2O 2Se 薄膜在高光功率密度下也表现出了优秀的光电探测品质. 由于我们的光电器件是一个基于光电导机制的两端器件, 器件结构简单, 易于与半导体平面工艺相兼容, 因此在未来的低功耗、高灵敏度的光电子器件领域具有广阔发展前景.参考文献F u Q, Yang L, Wang W H, Han A L, Huang J, Du P W, FanZ Y, Zhang J Y, Xiang B 2015 Adv. 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The Bi2O2Se is an emerging material with very high electron mobility, modest bandgap, and excellent thermal and chemical stability. In this work, high-quality Bi2O2Se thin films are synthesized through chemical vapor deposition. The effect of temperature on the morphology and size distribution of Bi2O2Se thin film are discussed in detail experimentally. Under an optimized experimental condition, the Bi2O2Se thin films with a lateral size of 100 µm are achieved. Interestingly, Bi2O2Se nanowires are obtained at a lower growth temperature (620–640 ℃). The photoelectric performances of Bi2O2Se on mica and silicon oxide substrate are examined based on a photoconductive mode. At a small bias of 0.5 V, the responsivity and specific detectivity of the rectangular Bi2O2Se thin film on the mica substrate reach 45800 A/W and 2.65 × 1012 Jones, respectively, and the corresponding photoelectric gain is greater than 105. The photoelectric performance of our device is comparable to the best results achieved by other research groups, which may be related to the higher quality and appropriate absorption thickness. The Bi2O2Se nanowire and Bi2O2Se thin film transferred to Si/SiO2 by a polystyrene-assisted method also exhibit a good photoresponse under the illumination of a 532 nm laser with a high optical power density (127.4 mW/cm2). The experimental results demonstrate that the Bi2O2Se has great potential applications in the optoelectronic devices with low power consumption and high sensitivity.Keywords: two-dimensional material, Bi2O2Se, chemical vapor deposition, photoconductorPACS: 85.60.Gz, 81.15.Gh, 81.10.–h DOI: 10.7498/aps.69.20201044* Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11974318).† Corresponding author. E-mail: ligw@‡ Corresponding author. E-mail: xingjie@。
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PbSe光电导焦平面阵列探测器
陈岩松;任梓洋;徐翰纶;朱海明;王垚;吴惠桢
【期刊名称】《红外与毫米波学报》
【年(卷),期】2022(41)6
【摘 要】应用半导体非平衡载流子连续性方程模拟了PbSe光电导红外探测器参
数对光电响应的影响,实验研制了小规模像元的x-y寻址型PbSe光电导焦平面阵
列(FPA)探测器,像元尺寸为500μm×500μm,像元间距为500μm。实验表征了
PbSe FPA探测器像元的光电响应性能,有效像元率达到了100%。500 K温度黑体
辐射和3.0V偏压下像元的黑体响应率的范围是70~146 mA/W,平均响应率和平
均探测率分别达到了110 mA/W和5.5×10^(9)cmHz^(1/2)W^(-1)。像元的噪
声等效温差(NETD)范围是15~81mK,平均噪声等效温差为32 mK。使用中波红外
成像装置,初步演示了PbSe FPA探测器对350~450℃热辐射目标的红外成像。为
后续研制高密度像元PbSe FPA探测器奠定了基础。
【总页数】7页(P980-986)
【作 者】陈岩松;任梓洋;徐翰纶;朱海明;王垚;吴惠桢
【作者单位】浙江大学物理学院浙江省量子技术和器件重点实验室
【正文语种】中 文
【中图分类】O472.3
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