低噪声前置放大光电探测器

1. 概述MCT 中红外探测器是一种热电冷却光电导 HgCdTe(碲镉汞，MCT)探测器， 这种材料对 2 到 12um 的中红外光谱波段光波敏感。海尔欣的中红外探测器可采用直流或交流耦合输出，直流耦合方便用户实时观测探测器上的光强信号，继而方便系统对光调试；交流耦合输出可以让用户解调微弱的交流小信号，一定程度上避免过高的直流光信号将探测器饱和。探测器与热电冷却器（TEC）相连接， TEC 采用一个热敏电阻反馈电路对探测器元件的温度控制在-30℃甚至更低温度，从而将热噪声和背景辐射对输出信号的影响最小化。为有效地减少电磁噪声对检测输出信号的影响， 探测器外壳采用了铝合金屏蔽壳体制作，同时起到散热的作用。2. 性能• 半导体冷却型碲镉汞红外光电探测器；• 对2~12 um的中红外光谱波段光波敏感；• 内部一体化集成低噪声前置运放+TEC控制单元；• TEC热电冷却稳定 -80℃ 至-30℃ ，极大地降低了热噪声；3. 优势l • 前放+制冷控制一体化，噪声能进一步降低，使用也更为便捷l • 性价比高于同款进口产品，波长覆盖也更宽l • 海尔欣针对红外探测应用自主研发，更适合系统集成，更及时完善的售后服务4 探测器噪声测试l 测试原理待测噪声A，频谱分析仪基底噪声为B，噪声A 接入频谱分析仪后，测得噪声为频谱分析仪总噪声C（探测器放大后噪声A和频谱分析仪基底噪声B）。它们之间关系如下：A2+B2=C2图.1 HPPD-M-B探测器噪声测试系统 由于HPPD-M-B探测器感光单元噪声Ain信号较小，需要对噪声信号Ain进行放大处理，图.1 中间框HPPD-M-B专指探测器前置放大电路，实际探测器芯片已集成到HPPD-M-B探测器产品中。 其中Ain为归一化到探测器输入端的电流噪声密度（单位为pA/√Hz）,为我们的待求结果，A0为Ain经探测器HPPD-M-B放大N倍后的信号，Rout为探测器的输出阻抗（Ω），A为频谱分析仪输入端信号，Rin为频谱分析仪的输入阻抗（Ω），B为频谱仪基底噪声（与测量系统基底噪声相同），C为频谱分析仪的频率扫描结果。可以得到系统中存在如下关系：A0=Ain*NA=A0*Rin/(Rin+Rout)A2+B2=C2 注：功率dBm转volts：http://wera.cen.uni-hamburg.de/DBM.shtmlvolts转噪声密度：噪声密度（nV/√Hz）= RMS volts/√RBW故通过频率分析仪测试探测器输出端噪声，便可容易的推算出归一化到探测器输入端的电流噪声密度。l 测试系统参数说明：放大倍数N = 15000V/A，探测器输出阻抗Rout =16Ω，频谱分析仪输入阻抗Rin = 50Ω频率扫描范围0-100 kHz，分辨率带宽RBW = 10Hzl 测试过程：1.短路频谱分析仪的信号输入端口，为频谱仪噪声基底的频率扫描结果得到系统基底噪声B1；2.按图1连接测试系统，将配套SMA转BNC同轴线缆一端连接到探测器的SMA输出端口，另一端连接到频谱分析仪（型号N9320B）的信号输入端口；得到未供电时的测试系统频率扫描结果，为测试系统的噪声基底B,可以发现测试系统的噪声基底B与频谱仪输入端短路时噪声B1相同，如下图2中的曲线V1（该曲线为系统的基底噪声B）。3.系统供电，将配套+5V电源适配器一端插入探测器电源供电口，另一端插入市电插座，拨动电源开关上电，此时风扇将正常工作，探测器开始温度调节，热机约10分钟后，温控指示灯亮，温度稳定于预设值。此时，可得到供电状态下，测试系统的频率扫描结果，如下图2中的曲线V2（该曲线为系统的总噪声C）。注意：测试过程中，探测器感光单元一直为遮光状态。l 计算结果读图：100kHz时，频谱仪基底B =-120dBm，扫频结果C = -117dBm，两者RMS均为10Hz。功率dBm转RMS volts：查表http://wera.cen.uni-hamburg.de/DBM.shtml-120dBm对应RMS volts为223.607nV；-117dBm对应RMS volts为315.853nV。根据RBM volts转噪声密度公式：噪声密度（nV/√Hz）= RMS volts/√RBW计算噪声密度B 为70.71nV/√Hz ，噪声密度C 为99.88nV/√Hz。根据计算公式：A2+B2=C2可以等到A=70.54nV/√Hz根据计算公式 ：A=A0*Rin/(Rin+Rout)；Rin=50?、Rout=16? 可以得到A0=93.11nV/√Hz 。通过公式：A0=Ain*N其中N为放大倍数15000V/A 可以得到Ain=6.2pA/√Hz。l 附1.探测器芯片的电流噪声密度HPPD-M-B编号：96610，芯片电流噪声 4.7 pA/√Hz5V适配器编号：01191027140测试结果表明，归一化到探测器输入端的电流噪声密度Ain为6.2pA/√Hz，则海尔欣的前置低噪声运放的噪声系数仅为2.4dB。计算方法为：信噪比：信号功率/噪声功率（下述计算提到的功率都以归一化噪声电流同比表示）噪声系数NF = 输入端信噪比/输出端信噪比 噪声系数可由下列式表示：Si为输入信号功率，即为光电流信号；Ni 为输入噪声功率，即为芯片电流噪声 4.7 pA/√HzS0为输出端信号功率，即为S0=Si*NN0为输出噪声功率，即为Ain*N通过上计算可以得到噪声系数NF=Ain/Ni根据上面计算结果可知Ain=6.2 pA/√Hz，Ni=4.7 pA/√Hz则噪声系数NF=1.32，根据噪声系数转换噪声dB公式：dB=20lgNF=2.4可以得到噪声系数为2.4 dB.（关于低噪声前置运放的噪声系数概念，请参考：http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/zhca525/zhca525.pdf） l 附2.与进口探测器比较 图.3 VIGO探测器与HPPD-M-B噪声比较V3为HPPD-M-B ,适配器供电(放大15000倍)V2为某进口探测器，本底比HPPD-M-B低是因其放大倍数较低的缘故。 5 结论综合来看，海尔欣的HPPD-M-B型中红外探测器噪声与进口探测器处于同一水平，从功能上来讲没有太大差别。再结合其运放与TEC制冷高度集成的设计，HPPD-M-B型探测器极大地方便了用户的使用和系统集成，是一款小巧、出色的制冷型单像素红外探测器。

近日，Science Advances发表了题为“Broadband and photovoltaic THz/IR response in the GaAs-based ratchet photodetector”的研究工作（Sci. Adv. 8, eabn2031 (2022)）。该论文提出了一种基于GaAs/AlxGa1-xAs异质结的量子棘轮结构。这种结构综合利用了电泵浦实现的热载流子注入效应、自由载流子吸收和从轻、重空穴带到自旋轨道分裂带的光跃迁等多种吸收机制，突破了界面势垒的限制，实现了从近红外到太赫兹波段（4-300太赫兹）的超宽谱光响应。A. 量子棘轮探测器结构. B. 探测器能带结构. C. 器件PL光谱. D.探测器微观机制示意图. 近年来，红外(IR)/太赫兹(THz)光电探测器已经引起了极大的关注。然而，设计高性能的宽带红外/太赫兹探测器一直是个巨大的挑战。在宽谱探测器领域，一直是热探测器占据主要地位，但热探测器难以实现高速探测。光子型探测器具有可调节的响应范围、良好的信噪比和非常快的响应速度。量子阱探测器（QWP）响应速度快，灵敏度高，光子响应范围灵活可调，是性能优异的光子型红外/太赫兹光电探测器。但窄带特性使其覆盖波段十分有限。内光发射探测器（IWIP）由于其正入射响应机制、宽谱响应以及可调的截止频率，一直被认为是极具竞争力的宽带红外/太赫兹光电探测器。但其激活能低，导致较大的暗电流，需要在极低的温度(液氦温区)下工作。量子点探测器可以在高温下实现太赫兹探测和正入射响应，但可靠性和可重复性仍然是一个巨大的挑战。光泵浦热空穴效应探测器（OPHED）基于热-冷空穴的能量转移机制进行探测，可以突破带隙光谱的限制，实现超宽谱的红外/太赫兹探测。其探测波长可调，同时能够抑制暗电流和噪声。然而，依赖于外部光学激励的热空穴注入是太赫兹探测的前置条件，这大大增加了OPHED的复杂性。A.暗电流随温度变化 B. 暗电流与常用太赫兹探测器对比 C. 零偏压下微观响应机制 D. 量子棘轮探测器光响应谱. 应用物理与计算数学研究所白鹏与上海交通大学张月蘅、沈文忠研究组提出了一种基于GaAs/AlxGa1-xAs量子棘轮新结构的超宽谱光子型探测器。该探测器能实现正入射响应，响应范围覆盖4-300THz，远超其他光子类型的探测器的覆盖范围。此外，该器件即使在零偏置电压下也能产生明显的光电流。其峰值响应率达7.3 A/W，比OPHED高出五个数量级。由于量子棘轮能带结构的不对称性，器件的响应在正负偏压下也表现出明显的差别。在温度低于 77K时，由于量子棘轮效应，探测器表现出明显的整流行为，器件暗电流比现有的光子型探测器低得多，噪声等效功率低至3.5 pW·Hz−1/2，探测率高达2.9 × 1010 Jones，展示出其在高温下工作的潜能。 该项研究中展示了一种新型超宽带太赫兹/红外光电探测器。在无任何光耦合结构设计的情况下，这种成像器件具备很宽的光谱探测范围（4-300THz），快响应速度，低噪声等效功率和高探测率，为发展高温高速的超宽谱光电探测器件奠定了基础。 该工作近日发表于Science Advances （Sci. Adv. 8, eabn2031 (2022)）上。共同第一作者北京应用物理与计算数学研究所助理研究员白鹏和张月蘅课题组博士研究生李晓虹，共同通讯作者为应用物理与计算数学研究所楚卫东研究员、上海交通大学张月蘅教授和清华大学赵自然教授。研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科技自然科学基金、博士后基金和上海交通大学“人工结构及量子调控”教育部重点实验室开放课题的经费支持。上海交通大学张月蘅课题组承担并参与了器件设计、器件性能测试表征及论文写作方面的工作。

近日，国科大杭州高等研究院物理与光电工程学院陈效双研究员团队提出了一种通过六方氮化硼封装技术，实现从520 nm到4.6 μm工作波长的钽镍硒（Ta2NiSe5）非制冷红外光电探测器（PD）。该探测器在室温空气环境条件下具有较低的等效噪声功率（4.5 × 10−13W Hz−1/2）和较高的归一化探测率（3.5× 1010cm Hz1/2W−1），而且通过表征时间、偏置、功率和温度依赖等多方面因素，研究其不同波长辐射产生光电流的多重机制。此外，还展示了器件的偏振灵敏度和在不同的可见光、近红外、中波红外波长范围内的多功能成像应用。这些结果揭示了多功能的探测模式，为设计新型的纳米光电器件提供了一种新的思路。该成果以“H-BN-Encapsulated Uncooled Infrared Photodetectors Based on Tantalum Nickel Selenide”为题发表在期刊Advanced Functional Materials上（IF=19）。本工作也得到了国家自然科学基金委、上海市科委、中国科学院和浙江省自然科学基金委等项目的资助。本文利用干法转移堆叠，采用平面h-BN封装的金属-Ta2NiSe5-金属(源极和漏极)结构设计了Ta2NiSe5基PDs，如图1a所示。图1b的左侧面板显示了横截面透射电子显微镜图像，并证明原子堆中没有污染或无定形氧化物。图1d显示了在黑暗条件下和不同功率强度的激光照射（1550nm）下的I-V特性的比较，显示了近线性行为，表明Ta2NiSe5薄片和Cr/Au电极之间具有良好的欧姆接触。如图1e所示，对于窄带隙半导体Ta2NiSe5，光激发载流子的短瞬态寿命减少了电荷分离时间。Ta2NiSe5的高迁移率可以实现电场驱动的光生载流子的快速传输，降低复合的概率。520 nm至2 µm范围内的光响应机制被认为是光电导效应（PDE）。由于PDE，带间跃迁产生的电子-空穴对被施加的电场分离，并被图1h左侧面板中的电极收集。在可见光和近红外光谱中吸收光子，只要它们具有超过带隙的能量，就会触发电子-空穴（e-h）对的产生，从而调节材料的电导率。随后，这些产生的e-h对在外部电场的诱导下分离，产生光电流。基于Ta2NiSe5的PD在1550 nm处0 V和±1 V的扫描光电流映射（图1h）很好地验证了上述光电流起源的推测。图1. Ta2NiSe5基PD在大气环境中不同激光波长和功率下的光电特性。（a）基于Ta2NiSe5的PD的示意图。（b）Ta2NiSe5基PD的横截面TEM图像和相应的元素映射。（c）剥离的Ta2NiSe5纳米片的SEM图像和EDS元素图谱。（d）在1550 nm激光照射下，不同功率下的Iph-Vds曲线。（e）基于Ta2NiSe5的PD的单个响应过程，Vds为1V。（f）从具有绝对值的I-t曲线中提取的Vds和Plight相关光电流。（g）在1V偏压下基于Ta2NiSe5的PD下的光电流的线性功率和亚线性功率依赖性。（h）1550 nm激光照射下典型Ta2NiSe5基PD的扫描光电流图，以及−1、0和1 V偏压照射下从Ta2NiSe5到电极的光生载流子传输过程的说明。泡利阻塞抑制了在4.6 μm（0.27 eV）处产生电子-空穴对的直接光学跃迁。热效应机制被认为是控制MWIR区域光探测过程的潜在物理机制，如光热电效应和辐射热效应。对于辐射热效应的贡献，不需要外部偏置来产生光电流，如图2a所示，而不是依赖于自供电的工作模式。辐射热效应是指沟道材料由于吸收均匀的红外辐射而引起温度升高，从而导致电导率或光吸收等电学或光学性质变化。值得注意的是，辐射热效应需要外加电场。为了确定控制MWIR探测过程的主要机制，光响应被记录为功率和Vds的关系。光电流呈现负极性、零极性和正极性三个特征区域，分别对应图2a中的区域I、II和III。通过测量Ta2NiSe5基PDs电阻的温度依赖性（4-400 K），器件电阻的温度依赖性表现出典型的半导体热激发输运性质，表明热效应可以有效地增强器件电导（图2b）。电阻的温度系数（TCR）是辐射热效应的一个关键指标，在Vds=1 V时，Ta2NiSe5基PDs的TCR为-1.9% K-1。与快速的可见光-近红外光响应相反，在关闭光后漏极电流缓慢恢复，响应时间≈24 ms（图2c）。辐射热效应可以解释明显的光响应与缓慢的下降和上升时间，而不是光电导效应。该值是典型的辐射热特性（1-100 ms），因为吸收MWIR光子后热电子的能量转移到晶格，进一步改变沟道电导。此外，在传热和耗散过程中，h-BN利用极高的导热系数有效地消散探测器产生的热量。光电流的产生分为两种状态。首先，沟道材料在吸收MWIR光子后改变自身电导率，其次，通过驱动外电场产生光电流（图2d）。与PTE中取决于塞贝克系数的光电流符号不同，辐射热光电流的符号取决于外部电场。为了直观地揭示Ta2NiSe5基PDs的光响应机制，本文利用扫描光电流成像技术对光电流分布进行成像（图2e）。在0 V偏置照射下，几乎没有观察到光电流，而在±1 V的外偏置照射下，整个沟道的光电流相当均匀。诱导的电导变化可能是入射光下温度升高期间产生电流的载流子数量变化的结果。Ta2NiSe5基PDs具有独特的性能，它们可以在室温下工作而不会性能下降，这使得它们有希望用于辐射热探测应用。此外，该器件无需p-n结即可工作，简化了制造过程。图2. 基于Ta2NiSe5的PD在4.6 µm光照下的光响应。（a）从I-t曲线中提取的Vds和Plight相关光电流。（b）Ta2NiSe5纳米片电阻的温度依赖性。（c）Vds为1V的基于Ta2NiSe5的PD的单个响应过程。（d）基于Ta2NiSe5的器件在4.6 µm激光照射下的晶格加热的典型示意图。（e）4.6 µm激光照射下典型Ta2NiSe5基PD的扫描光电流图，以及−1、0和1 V偏压照射下测辐射热机制器件的能带对准。接下来，520nm-4.6 µm波长范围内的光的光谱响应度如图3a（左纵轴）所示，在4.6 µm处峰值为0.86 A W−1。在图3a（右纵轴）中，在不同激发波长上进行的EQE测量表明，随着波长的增加，EQE逐渐下降。由入射光子和晶格振动之间的相互作用产生的有限的能量转换效率，以及两端电极的有限收集，通过阻碍入射光子到光生载流子的有效转换，降低了材料的量子效率。重要的是，从可见光到MWIR光谱范围（520 nm-4.6 µm）实现了0.23至82.22的EQE值。与许多传统报道的基于低维材料的PD相比，基于Ta2NiSe5的PD的EQE显著更高，如图3b所示。从1 Hz到10 kHz测量的电流噪声功率谱如图3c所示，然后将NEP计算为NEP=in/RI（图3d），其中在520 nm处获得的最小NEP≈0.45 pW Hz−1/2，在4.6 µm处获得的最低NEP≈18 pW Hz−1/2。基于Ta2NiSe5的PD的较低NEP证明了它们区分信号和噪声的优异能力。图3e显示了与传统大块材料和基于2D材料的PD相比，基于Ta2NiSe5的PD在不同偏压下的波长依赖性特异性检测。对于光电导和测辐射热计响应，D*显示出3.5×1010至8.75×108cm Hz1/2W−1的轻微波动。我们的PD的D*与最先进的商业PD相当，并且高于基于可见光到中红外区域的2D材料的PD。图3. 基于Ta2NiSe5的PD的可见光至MWIR区域的宽带光响应。（a）Vds＝1时RI（蓝色实心正方形）和EQE（红色实心圆）的波长依赖性。（b）基于Ta2NiSe5的PD与2D和块体材料PD的EQE的比较。（c）从1 Hz到10 kHz测量的电流噪声功率谱。（d）基于Ta2NiSe5的PD与以前的PD的NEP性能比较，插图显示了NEP的波长依赖性。（e）不同波长下的比探测率（D*）与基于2D材料的最先进的其他PD以及商用红外PD的比较。为了确定基于Ta2NiSe5的PD的偏振依赖性，我们进行了如图4a所示的实验。垂直入射光使用格兰泰勒棱镜进行偏振，通过旋转半波片同时保持恒定的激光功率来改变样品的激光偏振方向和b轴之间的关系。对最具代表性的638 nm激光偏振特性进行研究，图4b，c显示，随着极化角的变化，光电流表现出显著的周期性变化，最大值和最小值分别沿Ta2NiSe5纳米片的b轴和a轴方向获得。值得注意的是，图4c中的偏振依赖性光响应图显示了由于Ta2NiSe5晶体的[TaSe6]2链的潜在1D排列而导致的两片叶子的形状。最终结果显示，各向异性比（Iph-max/Iph-min）达到约1.47，表明基于Ta2NiSe5的PD的整体性能优于大多数其他报道的PD，如图4f所示，并为设计未来的多功能、空气稳定的光电子器件提供了广阔的前景。图4. 基于Ta2NiSe5的PD的偏振敏感光电检测。（a）利用Ta2NiSe5材料的基于纳米片的偏振敏感光电探测器的示意图。（b）在638 nm激光源下记录的光偏振方向为0°至360°的时间分辨光响应。（c）在638 nm偏振激光下，Vds为−1至0V的光电流中各向异性响应的各向异性响应图。（d）通过在638 nm激光下扫描Ta2NiSe5基PD获得的光电流图，偏振角从0°到180°不等。（e）创建极坐标图以显示在638 nm线性偏振激光照射下在40、36和17 nm厚度下产生的角度分辨光电流。（f）与其他常用的2D和1D材料相比，光电流各向异性比和光响应范围。为了充分探索基于Ta2NiSe5单元的PD在多应用成像中的潜力，如图5a所示构建了一个成像系统。采用逐点或逐像素覆盖整个物体区域，用聚焦的可检测光束照射物体，PD检测到的光电流信号由锁定放大器、前置放大器和计算机收集，计算机记录位置坐标生成高质量图像。为了测试基于Ta2NiSe5的PD的成像能力，将具有“HIAS”图案（15 cm×5 cm）的中空金属板放置在520 nm激光器前面，并以优于0.5 mm的高分辨率成功捕获了所产生的成像，如图5b所示。通过控制外部偏置，可以改变PD在638 nm照明下的响应，并成功实现物体成像清晰度，如图5c所示。在NIR范围内，在基于Ta2NiSe5的PD中获得了覆盖载玻片的钥匙锯齿状边缘的高对比度图像（图5d）。此外，基于Ta2NiSe5的设备在近红外和MWIR区域都表现出高度稳定的响应，确保了高对比度成像以智能识别宏观物体。为了证明这一特性，在1550 nm和3.2 μm处实现了复合物体（硅片和长尾夹）的双通道成像。如图5e所示，近红外光只能检测到一半的长尾夹，而MWIR辐射可以显示整个长尾夹。结果证明了基于Ta2NiSe5的PD在军事和民用应用中检测隐藏物体的潜力。图5. Ta2NiSe5基PD的光电成像应用。（a）使用PD作为成像像素的成像系统的示意图。（b）520 nm处的“HIAS”物体（上图）和相应的高分辨率成像图（下图）。（c）在638 nm处，Vds为0.05、0.1、0.5和1 V的“H”对象。（d）1550 nm覆盖载玻片的钥匙成像。（e）在1550 nm和3.2 µm处被硅片部分隐藏的长尾夹的成像。本文揭示了h-BN封装的Ta2NiSe5基PD在环境条件下在520 nm至4.6 µm的宽光谱范围内工作的特殊光电特性，受光电导和测辐射热效应的控制。光电探测器同时表现出宽带和快速的光电探测能力，具有显著的响应性，超过了现有商业室温探测器的性能。基于Ta2NiSe5的PD的室温响应度达到了34.44 AW−1（520 nm）、32.14 AW−1（638 nm）、29.81 AW−1（830 nm）、20.92 AW−1（1550 nm），16.58 AW−1（2 µm）和0.86 AW−1（4.6 µm）。基于Ta2NiSe5的PD的独特光学特性使其适合于各种应用，包括传感、成像和通信，并且它们与其它2D材料的集成可以进一步增强它们的性能和功能。因此，这项工作的研究为利用2D材料设计稳定的光电探测器铺平了道路，为推进下一代红外光电子研究的发展做出了贡献。论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202305380