1 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室,上海 200083
2 中国科学院大学,北京 100049
红外光电探测器可以获取目标反射和自发的红外辐射,具有抗干扰性强、全天候观测、探测距离远、分辨率高等优点,在**、通信、遥感、航天等领域中扮演着不可替代的角色。从20世纪40年代第一代低像素探测器的应用到90年代末第三代SWaP3概念的提出,红外光电探测器正经历着变革性发展。专注于阵列规模、灵敏度、分辨率等性能指标提高的传统光电探测器利用光强度信息进行成像,无法满足未来目标多样化、环境复杂化、任务多元化等发展需求。多维度光信息的获取为提升红外探测器性能提供了新途径,除强度信息外,通过红外光电探测器可以获取光的波长、动量、偏振和相位等本征信息,也可利用光的传输时间获取光程信息。本文面向多维度红外探测发展需求,聚焦波长、偏振、光程和相位四个方面的特征,从新原理、新材料、新结构等方面综述了近年来多维度红外光电探测器的研究进展,进而提出对多维度红外探测器发展方向的思考和展望。
红外光电探测器 多维度光信息 波长 偏振 光程 相位 infrared photodetector multidimensional optical information wavelength polarization optical path phase
1 南通大学 信息科学技术学院 江苏省专用集成电路设计重点实验室,江苏 南通 226019
2 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室,上海 200083
自石墨烯时代以来,具有独特物理、化学和光电特性的二维层状材料(Two-Dimensional Layered Materials,2DLMs)得到了国内外科研人员的广泛关注。2DLMs因其种类的多样化与带隙的层数依赖性,光谱响应范围覆盖了紫外到红外辐射的极宽波段,具有应用于新一代光电探测器件的潜力。此外,2DLMs不受晶格匹配的限制,能以范德瓦尔斯力(Van der Waals,vdWs)与其他维度材料如体材料、纳米线和量子点等结合,制备得到性能独特且优异的复合结构器件。文中概述了几种应用在光电探测器领域的新型2DLMs异质结光电探测器的研究进展,主要包括基于二硒化钨(WSe2)、黑砷磷(AsP)、三硫化铌(NbS3)、二硒化钯(PbSe2)等异质结光电探测器,这些异质结光电探测器在异质结器件结构设计与新型二维半导体工艺技术应用方面做出了创新,在器件增益、结整流比、响应速度与波长探测范围等多个重要器件性能方面获得了突破性的研究成果。同时,文中还简要分析了这类器件研究当前所面临的挑战,并对其未来的发展方向进行了展望。
二维层状材料 异质结 光电探测器 two-dimensional materials heterojunction photodetector 红外与激光工程
2021, 50(1): 20211018
1 华中科技大学 武汉光电国家研究中心,湖北 武汉 430074
2 中国科学院上海技术物理研究所,上海 200083
多量子阱红外探测器是一种新型的利用子带跃迁机制的探测器件,具有非常高的设计自由度。GaN/Al(Ga)N量子阱由于大的导带带阶,超快的电子驰豫时间,超宽的红外透明区域以及高的声子能量,使得其成为继GaAs量子阱红外探测器之后又一潜在的探测材料结构。文中详细综述了国内外关于GaN基量子阱红外子带吸收及其探测器件的研究进展。首先介绍了量子阱红外探测器的工作原理及其选择定则,接着从极性GaN基多量子阱、非极性或半极性GaN基多量子阱以及纳米线结构GaN基多量子阱三个方面回顾当前GaN基多量子阱红外吸收的一些重要研究进展,包括了从近红外到远红外甚至太赫兹波段范围的各种突破。最后回顾了GaN基多量子阱红外探测器件的研究进展,包括其光电响应特性和高频响应特性,并对其未来的发展进行总结和展望。
GaN 量子阱 红外探测器 子带跃迁吸收 GaN quantum well infrared photodetector intersubband transition absorption 红外与激光工程
2021, 50(1): 20211020
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理与国家重点实验室,上海 200083
2 中国科学院大学,北京 100049
红外探测在生物医疗、智慧城市、宇宙探索等前沿领域中有着重要的作用。近年来,以二维材料为代表的新型纳尺度半导体并以此形成的具有颠覆性意义的光电探测技术在探测灵敏度、极低暗电流、高工作温度等指标超越了传统薄膜器件的理论极限,是新一代红外光电探测技术有力竞争者之一。文中以局域场调控实现室温高性能光电探测为出发点,介绍了铁电局域场、层间内建电场、面内内建电场调控二维材料光电探测机理与器件实现方法;进一步,针对二维材料其尺寸效应引起的光利用率低或量子效率低的问题,提出了单边异质结和表面等离子激元增强结构的光电性能增强方法;最后列举了二维半导体材料在红外探测器领域的应用探索,展现了新型二维半导体红外探测器的应用潜力与前景,为新一代红外探测器技术提供了新方法和新思路。
二维材料 红外探测器 局域场 SWaP3 two-dimensional materials infrared photodetector local electric field SWaP3 红外与激光工程
2021, 50(1): 20211017
1 Kunming Institute of Physics, Kunming650223, China
2 Key Laboratory of Optoelectronic Technology & Systems, Chongqing University, Chongqing 400044, China,3. College of Engineering, Swansea University, Swansea SA1 8EN, United Kingdom,4. Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai00083, China
3
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太赫兹波由于其独特的光学和电学性质,在物理学、生物学、公共安全检查、局域通信、信息安全、环境监测、无损检测和**科技等民用或**领域都有着广阔的应用前景。太赫兹探测器作为太赫兹领域的核心器件,在太赫兹系统中扮演着重要角色。因此太赫兹探测器的性能,决定了太赫兹系统的应用市场。近年来,太赫兹探测器的发展已取得突破性的成果,但是太赫兹探测器还存在着一些普遍的问题,制冷的太赫兹探测器虽然有响应速率快和噪声等效功率低等优点,但是其紧凑性不好,并且成本较高。室温可工作的太赫兹探测器虽然不需要制冷环境,但是噪声等效功率偏大,灵敏度也不高。该综述从太赫兹探测器的制备材料和器件形式等方面,阐述了太赫兹探测器的发展现状及其应用领域。
太赫兹探测器 材料 研究进展 应用现状 terahertz detectors materials research progress application status
1 中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室, 上海 200083
2 上海科技大学物质科学学院, 上海 201210
近年来, 中红外雪崩光电二极管(APD)阵列, 以其高增益、高灵敏度和高速探测的优点, 成为光纤通信、三维激光雷达成像、天文物理以及大气观测等应用的重要器件。本文具体介绍了中红外雪崩光电探测器的结构和探测原理, 对其结构参数相关的性能以及优缺点进行了详细介绍, 并展望其发展前景, 同时介绍了一些中波红外雪崩光子探测器研究和应用进展。
雪崩光子探测 中波红外探测 碲镉汞雪崩光电二极管 single photon detection mid-infrared detection HgCdTe avalanche photodiode
中国科学院上海技术物理研究所, 红外物理国家重点实验室, 上海 200083
近年来, 量子卫星通信、主动成像等先进技术的应用取得了较大的进展, InGaAs/InP雪崩光电探测器作为信息接收端的核心器件起到了至关重要的作用。本文系统介绍了 InGaAs/InP雪崩光电探测器的工作原理, 分析了器件结构设计对暗电流特性的影响, 对盖格模式下多种单光子探测电路进行了综述, 同时对新型金属-绝缘体-金属结构设计的研究进展进行了介绍和展望。
InGaAs/InP红外雪崩光电探测器 暗电流机制 单光子探测 表面等离共振效应 InGaAs/InPinfrared avalanche photodetectors dark current mechanism single-photon detection surface plasmon resonance effect
1 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国空空导弹研究院, 河南 洛阳 471009
基于新型的时域有限差分光子学分析方法联合有限元电学分析方法研究了Pt/CdS紫外与InSb 红外双色焦平面阵列探测器的双色探测机理.研究发现超薄 Pt金属膜与CdS形成肖特基结可以获得较大的紫外光响应并能更好耦合红外光.采用像元间距为50 μm的Pt/CdS与InSb键合结构, 可以很好地抑制像元间的串音.结果证明了紫外-红外双色探测的可行性, 该方法将为紫外—红外双色探测器的设计提供基础指导.
紫外—红外双色焦平面阵列 Pt/CdS紫外探测器 InSb红外探测器 dual-color focal-plane arrays Pt/CdS ultraviolet detector InSb infrared detector
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室,上海 200083
2 华东师范大学 极化材料与器件教育部重点实验室,上海 200241
综述了近几年来亚波长陷光结构HgCdTe红外探测器研究进展.系统介绍了一种结合有限元方法与时域有限差分方法对红外探测器的“光”“电”特性进行联合模拟和设计方法,以及基于这种新的数值模拟方法对亚波长人工微结构HgCdTe红外探测器的模拟和分析结果.理论分析和实验研制数据均显示这种新型亚波长人工微结构结构具有很好的陷光特性,在提高长波红外探测器性能方面具有潜在应用前景.
HgCdTe红外探测器 亚波长人工微结构 陷光效应 长波红外探测器 金属表面等离子激元 HgCdTe infrared detectors subwavelength microstructure photon trapping long wavelength infrared detectors surface plasmon polaritons