数字模拟位敏探测器

中国科技网讯 据物理学家组织网5月16日（北京时间）报道，西班牙塞西斯光学技术研究所用石墨烯结合量子点成功研发出一种混合型光电探测器，灵敏度是其同类探测器的10亿倍。研究人员指出，该研究预示了石墨烯在光学传感器和太阳能电池领域的新应用。相关论文发表在最新一期《自然·纳米技术》上。 石墨烯在光电子学和光电探测应用领域极有潜力，具有光谱带宽广、响应迅速的优点，但缺点是光吸收能力弱，缺乏产生多倍载荷子的增益机制。目前的石墨烯光电探测器响应度（一定波长的光在入射功率作用下的输出电流）在0.01A/W以下。 研究人员解释说，所需要的是一种迫使更多光被吸收的方法，石墨烯吸收光的效率仅为3%。为了提高光吸收率，他们转向了量子点。量子点是一种纳米晶体，能根据自身大小吸收不同波长的光。从本质上讲，光电探测器是一种把少量光转化为微小电流的设备，通过检测电流来确定有多少光进入了设备，或者直接用该电流产生其他反应，比如辅助产生摄影图像。 为了制造光电探测器，研究小组首先用标准的胶带法剥离出一层石墨烯作底片，用纳米印刷术在上面印上微小的黄金电极，然后用喷雾瓶将硫化铅晶体喷在上面。这些胶状晶体包含了各种大小的颗粒，几乎能吸收所有波长的光。他们用不同波长的光来照射探测器，检测其电阻和电量。 在制造量子点时，要保证在量子点和石墨烯之间实现配位体交换最大化，最大困难是找到合适的材料组合。研究人员说，他们经多次试验，终于使内量子效率达到了25%。在探测器中，量子点层中的光强烈而且可调，生成的电荷传导到石墨烯，在此电流多次巡回，响应度达到了107A/W。 研究人员还指出，在这种光电探测器基础上，还能造出更多新设备，如数字摄像机、夜视镜以及其他多种传感器设备。（记者 常丽君） 总编辑圈点 石墨烯极高的导电性着实令科学家着迷，也因此激发了科学家利用石墨烯来设计超高速光电探测器。传统的硅基光电探测器不能折叠，也不便宜，而且不够灵敏。多年来，一种便宜、可折叠的光电探测器一直是科学家们的梦想。单层石墨烯似乎可以胜任。然而单层石墨烯吸收光子的能力比硅还差，仅有3%的光子被吸收。而当量子点附着在其表面时，其吸收光子的能力可神奇地提高到50%。这样一来，可以穿在身上的电子产品或许真的不再是梦了。 《科技日报》（2012-05-17 一版）

近日，合肥工业大学微电子学院先进半导体器件与光电集成实验室的王莉副教授和罗林保教授，成功研发出一种基于单p-型硅肖特基结的超灵敏近红外窄带光电探测器。相关成果以“Ultra-Sensitive Narrow-Band P-Si Schottky Photodetector with Good Wavelength Selectivity and Low Driving Voltage”为题于2023年12月31日作为封面文章在线发表在半导体器件领域的著名杂志IEEE Electron Device Letters上。[align=center][img]https://img1.17img.cn/17img/images/202401/uepic/cc67e4be-797c-42f2-9634-7a88f1e60e05.jpg[/img][/align][align=center][color=#0070c0]图1. IEEE Electron Device Letters 2024年第一期封面[/color][/align]窄带光电探测器由于仅对目标波长敏感，可以有效抑制背景噪声光的干扰，因此在机器视觉、特定波段成像、光学通信和生物材料识别等领域均具有重要的应用价值。但现有的加装滤波片、电荷收集变窄或热电子效应等窄带探测机制普遍存在着量子效率低的问题。为了提高窄带探测的灵敏度，研究人员通过将电荷陷阱引入有源层进行界面隧穿注入，或者利用场增强激子电离过程来实现器件内的光电倍增效应。但这些机制往往需要几十伏较高的电压才能激发启动，导致窄带探测器的性能易退化和工作能耗高。该研究团队在深入分析了上述问题的基础上，提出并实现了一种可在低驱动电压下工作的高灵敏窄带光电探测器。通过采用双层结构肖特基电极以及增大光生电子和空穴之间的渡越时间差，在保证高波长选择性的前提下实现了器件光电转化效率的大幅提高。该探测器仅在1050nm附近有探测峰，对紫外及可见光几乎无响应。在零偏压下器件的比探测率达～4.14×1012Jones，线性动态范围约为128 dB。当工作偏压由0 V增加到- 3 V时，器件外部量子效率可以从96.2 %显著提升到6939%，同时探测峰半高宽保持在约74 nm不变。这一成果为实现可在低驱动电压下工作的超高灵敏窄带光电探测器提供了新思路，有望在光电子领域得到广泛应用。[align=center][img=,600,467]https://img1.17img.cn/17img/images/202401/uepic/e9fc9b0e-1bba-4b78-a048-f15b14bb3a2a.jpg[/img][/align][align=center][color=#0070c0]图2. （a）器件内光强分布模拟结果，零偏压下（b）器件在不同波长光照下的电流-电压曲线，[/color][/align][align=center][color=#0070c0]（c）线性动态范围，（d）不同偏压下器件的外部量子效率随波长变化曲线。[/color][/align]上述工作得到国家自然科学基金、安徽省重点研发计划、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项等项目的资助。[b]论文链接：[/b][url=https://ieeexplore.ieee.org/document/10312826]https://ieeexplore.ieee.org/[/url][url=https://ieeexplore.ieee.org/document/10312826]d[/url][url=https://ieeexplore.ieee.org/document/10312826]ocument/10312826[/url][来源：合肥工业大学微电子学院 ][align=right][/align]