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勘天地之像:高性能日盲紫外探测器件及应用

发布:ZSjie2130阅读:551时间:2023-11-28 17:00:34

       紫外线(UV)辐射是大自然中最强的一种辐射,其波长范围为190-380 nm,处于人眼不可见的辐射波段[1]。在太阳所放射的辐射光谱中,紫外线在穿越地球的大气层时,会因大气中的氧气、臭氧、水分等物质的吸收和散射而被大幅削弱,其中波长低280 nm的紫外线几乎完全被大气层所散射和吸收,在地表处该波段的背景辐射噪声很小,因此其相关应用在信号识别领域具有天然的优势。

 

图1 太阳辐射光谱示意图

 

日盲紫外探测成像技术及其应用

 

       日盲紫外探测器具有信号处理简易、低误报警率以及强大的抗干扰能力等优点,因此在****、民用领域都有着巨大的应用潜力,如图2所示。

 

图2 日盲紫外探测在民用和**领域的应用

 

      在民用领域,日盲紫外探测技术可用于电网安全监测、海上搜救、医学成像、环境与生化检测等领域,例如:在电网安全监测过程中,电力设备的局部电晕放电会引入电力损耗、设备损坏等问题,而电晕放电产生的光谱主要中在紫外波段,因此可以利用日盲紫外探测器实现设备早期隐患的排查[2];在**领域,日盲紫外波段可用于导弹识别跟踪、舰载通讯、深空探测等方面对超长距离、超高精度的需求,例如:存在于导弹尾气流中未充分燃尽的固体燃料,产生化学反应后会释放出紫外线,因此可采用日盲紫外探测器实现导弹尾焰检测和**预警[2]

 

AlGaN基紫外探测器件

 

      基于AlGaN材料的日盲紫外探测器结构包括:金属-半导体-金属(MSM)、肖特基 (Schottky)以及PN结。当MSM结构两侧的金属都与半导体形成欧姆接触时,则制备得到了光电导类型探测器 (photoconductor);此外在PN结结构中,在结区插入本征吸收层的PIN或优化的PININ、PIPIN结构,可以进一步提高雪崩二极管(APD)的增益特性,进而实现对微弱日盲紫外信号的探测[3]。高性能的APD可具有纳秒量级的响应速度及106以上的增益,甚至可在单光子探测模式下工作,即可对入射的单个光子进行计数,实现对极微弱目标的探测[1]

 

图3AlGaN日盲紫外探测器结构优化设计,降低雪崩电压

 

       雪崩光电二极管的雪崩击穿是器件工作的关键之一,其雪崩电压对于紫外探测器的工作效率和响应速度具有直接的影响。如图3所示,近年来研究人员通过设计极化增强等优化结构,进一步优化了雪崩击穿过程,有效地降低了雪崩电压,从而提高了器件的响应速度和工作效率。暗计数率是衡量光电探测器性能的重要指标之一,能够反映光电探测器在没有光信号照射的情况下,由于电子碰撞、热噪声等非光信号产生的错误检测,较低的暗计数率对应了更高的探测效率和更低的错误检测率。

 

SiC紫外单光子探测器

 

       与常规光电探测器不同,雪崩二极管需要在强场模式下工作,因此对于半导体材料的晶体质量具有非常高的要求。相比于AlGaN半导体材料,SiC半导体材料的制备技术较为成熟,目前产业上已实现采用化学气相沉积法,高效率、大规模量产高晶体质量的大尺寸SiC晶圆。随着技术的进步,SiC晶体的缺陷密度已经大大降低,有助于提高相关器件的工作性能和寿命,因此世界各国也开始针对SiC器件争相开展技术布局。

 

      继美国率先研制紫外单光子探测器后,中国的研究人员紧随其后也实现相关器件的制备。通过提出雪崩增益涨落补偿新方法,我国研究人员首次研制出了规模最大的零盲元1×128紫外光子计数线阵探测器,并成功应用于日盲紫外光子计数激光雷达和光子计数紫外成像仪,如图4所示。

 

图4 零盲元1×128紫外光子计数线阵探测器和激光雷达及所成图像

 

      雪崩增益涨落是SiC单光子探测器的一个重要特性。SiC单光子探测器利用光电效应将入射的光子转化为电子,然后通过雪崩增益放大,从而使电子数量成指数增长,实现对光信号的高灵敏度探测。然而,雪崩增益涨落可能会降低探测器的性能。在这种情况下,通过雪崩补偿的方法,可以有效地补偿SiC单光子探测器的雪崩增益涨落,提高探测器的性能和稳定性,利用光子雪崩放大过程中产生的噪声作为一个新信号,新信号与噪声具有相等的幅度,通过相互抵消实现消除噪声,就可以在不影响探测器性能的情况下进一步降低噪声水平。

 

图5 基于SiC单光子探测器的紫外光子实时计数图谱

 

参考文献:

[1]陆海,陈敦军,张荣等.高灵敏度宽禁带半导体紫外探测器[J].南京大学学报(自然科学),2014,50(03):294-301.DOI:10.13232/j.cnki.jnju.2014.03.007.

[2]苏琳琳. 4H-SiC紫外雪崩单光子探测器制备与器件物理研究[D].南京大学,2021.DOI:10.27235/d.cnki.gnjiu.2020.002359.

[3]蒋科. AlGaN材料类同质外延生长及日盲紫外探测器研究[D].中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

 

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/FdhVpoRtnorR34bqRULF6w