光電探測器通過光電效應(yīng)，將可見光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào)，再經(jīng)過放大電路和控制模塊的作用，就將這個(gè)紛繁精彩的世界呈現(xiàn)在我們的眼前。

隨著信息時(shí)代的飛速發(fā)展，信息傳播與人類生活密切相關(guān)，而光信號(hào)則被廣泛用作傳播信息的載體。在信息傳播的終端，需要將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，以便于進(jìn)行信息的處理與存儲(chǔ)，而光電探測器作為能夠進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化的元器件，在光電系統(tǒng)中有著大量重要的應(yīng)用。

美佩洛西公然躥臺(tái)后，中國人民解放軍為捍衛(wèi)國家尊嚴(yán)，捍衛(wèi)祖國領(lǐng)土完整，舉行了史無空前的大規(guī)模圍臺(tái)軍演，飛機(jī)轟鳴，導(dǎo)彈掠過，這不僅僅讓臺(tái)獨(dú)分子們戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢，更提醒我們光電探測器在軍用領(lǐng)域的作用不容小覷，軍用導(dǎo)彈的制導(dǎo)方式是以紅外制導(dǎo)為主，同時(shí)為了提高導(dǎo)彈的抗紅外干擾能力，引入了紫外制導(dǎo)和紅外制導(dǎo)共同作用的雙色制導(dǎo)方式，這使得導(dǎo)彈可以適應(yīng)更加復(fù)雜的電子對抗環(huán)境，準(zhǔn)確地探測出定位光源，從而大大地提升導(dǎo)彈的命中能力。

在醫(yī)療領(lǐng)域，隨著新冠疫情的爆發(fā)，無接觸式體溫檢測成為切斷病毒傳播途徑，保障生命安全的一大保障。紅外光電探測器能夠檢測出人體發(fā)出的紅外光強(qiáng)度，從而正確判斷出人體的溫度，為疫情防控作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。同時(shí)在成像領(lǐng)域，光電探測器是CMOS圖像傳感器的核心元件之一，能夠通過光電效應(yīng)，將相應(yīng)的可見光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào)，再經(jīng)過放大電路和控制模塊的作用，就將這個(gè)紛繁精彩的世界呈現(xiàn)在我們的眼前。

光電探測器工作原理

光電探測器在光通信系統(tǒng)中對于將光轉(zhuǎn)變成電起著重要作用，這主要是基于半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)，所謂的光生伏特效應(yīng)是指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。要了解光電探測器的工作原理。我們首先需要知道光電導(dǎo)效應(yīng)，光電導(dǎo)效應(yīng)是指在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化。即當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若這個(gè)光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光電材料價(jià)帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象，光子作用于光電導(dǎo)材料，形成本征吸收或雜質(zhì)吸收，產(chǎn)生附加的光生載流子，從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，從而完成光到電的轉(zhuǎn)化。

光電探測器的基本工作機(jī)理包括三個(gè)過程：1.光生載流子在光照下產(chǎn)生；2.載流子擴(kuò)散或漂移形成電流；3.光電流在放大電路中放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。當(dāng)探測器表面有光照射時(shí)，如果材料禁帶寬度小于入射光光子的能量即

光電探測器的發(fā)展方向

自驅(qū)動(dòng)光電探測器

近年來，隨著石油，天然氣等資源的逐漸稀缺，人們意識(shí)到了節(jié)能減碳的重要性，因此對于電子元器件的發(fā)展提出了低能耗的要求。在這個(gè)背景之下，自驅(qū)動(dòng)光電探測器的概念便孕育而生。自驅(qū)動(dòng)光電探測器指的是器件在無需外加偏壓的情況下即可對入射光作出響應(yīng)，獲得響應(yīng)電流。其原理是利用pn結(jié)或者是肖特基結(jié)的內(nèi)建電場分離電子空穴對，并且驅(qū)動(dòng)載流子向電極運(yùn)動(dòng)，從而形成電流。自驅(qū)動(dòng)光電探測器符合電子元器件小型化，集成化和低功耗的發(fā)展趨勢，成為了近年來的研究重點(diǎn)。如圖為深圳大學(xué)屈軍樂教授等人在《Nano Energy》上提出的新型鈣鈦礦自驅(qū)動(dòng)光電探測器原理示意圖。

表面等離子體共振效應(yīng)的應(yīng)用

在光電探測器中利用表面等離子體共振效應(yīng)可以有效地增強(qiáng)器件的光吸收，擴(kuò)展器件的光吸收譜，從而產(chǎn)生更多的電子空穴對，提高器件的響應(yīng)電流，并且共振波長能夠被金屬納米結(jié)構(gòu)的介電環(huán)境，尺寸和形狀所改變，從而調(diào)節(jié)吸收波段。規(guī)律性分布的金屬納米結(jié)構(gòu)，如孔陣列或者柵線等，能夠和光發(fā)生相互作用，從而提升器件的光吸收能力。除此之外，從圖中能夠看出在金屬納米粒子的表面存在著大量自由振蕩的電子，并且其具有一定的頻率，當(dāng)這個(gè)頻率與入射光的頻率相等時(shí)，那么在金屬納米粒子表面的局部區(qū)域內(nèi)光子與電子發(fā)生共振，從而大大地增強(qiáng)了器件對光的吸收。后者的激發(fā)條件比較簡單，即金屬納米粒子的大小應(yīng)小于入射光的波長，且改變其大小能夠調(diào)控共振波段，因此可調(diào)節(jié)性更好，應(yīng)用更加靈活，被廣泛地用于加強(qiáng)器件的性能。

與CMOS兼容的硅基波導(dǎo)型光電探測器

硅基波導(dǎo)型光電探測器作為一類重要的光電探測器, 由于其能與標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS 工藝兼容以及制備工藝簡單等性能, 因而在光電子單片集成方面具備廣闊的市場應(yīng)用前景。

由于硅基光子學(xué)能夠利用現(xiàn)已大規(guī)模應(yīng)用的微電子工藝線, 使得其具備了很好的成本優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景, 尤其是近年來國外各大研究機(jī)構(gòu)在此領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)展。迄今為止,一系列的硅光子器件比如低損耗光波導(dǎo)、光衰減器、光波分復(fù)用/解復(fù)用器、硅激光器等被相繼報(bào)道。2006年Intel和加州大學(xué)洛杉磯分校宣布研究成功世界上第一支混合型 Si-InP 激光器。2022年浙江大學(xué)的葉鵬、肖涵等人，制作出了具有超高響應(yīng)度和比探測率的Si-CMOS兼容2D PtSe2基自驅(qū)動(dòng)光電探測器，這種二硒化鉑/超薄二氧化硅/硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電探測器具有高性能、空氣穩(wěn)定、自驅(qū)動(dòng)、室溫寬帶等優(yōu)異性能。

利用硅器件技術(shù)制作p-n和p-i-n二極管型的光電探測器早已實(shí)現(xiàn), 這種探測器的峰值響應(yīng)大約在700nm，適合用于光通信中的850nm波段的探測；缺點(diǎn)是無法應(yīng)用現(xiàn)今光通信的波段1550nm，不能實(shí)現(xiàn)微電子與光波回路進(jìn)行集成。一種解決的方法是通過把Ⅲ -Ⅴ族探測器通過鍵合的方式集成在硅集成光路上；另一種解決方法是通過離子注入形成深能級缺陷,利用缺陷吸收來實(shí)現(xiàn)硅對 1550nm 波長的探測。近年來國外幾個(gè)研究機(jī)構(gòu)利用該方法制備的硅1550nm光電探測器性能上有了極大改善。除了通過離子注入引入深能級缺陷制作硅基光電探測器，使用Ge/Si異質(zhì)結(jié)、AlGaInAs-Si混合集成等方法也是國內(nèi)外制作硅基光電探測器的常用手段。

中國及全球光電探測器行業(yè)市場現(xiàn)狀分析

我們結(jié)合國內(nèi)外光電探測器相關(guān)刊物的基礎(chǔ)信息以及光電探測器行業(yè)研究單位提供的詳實(shí)資料，結(jié)合深入的市場調(diào)研資料，立足于當(dāng)前全球及中國宏觀經(jīng)濟(jì)、政策、主要行業(yè)的對光電探測器行業(yè)的影響，并對未來光電探測器行業(yè)的發(fā)展趨勢和前景進(jìn)行分析和預(yù)測。

硅基光電探測器全球市場

硅基光電探測器在本文內(nèi)是指硅漂移檢測器（SDD）和硅光電倍增管（SiPM）。全球硅基光電探測器主要廠商有Hamamatsu、ON Semiconductor、Broadcom、First Sensor、AdvanSiD等，全球前五大廠商共占有大約75%的市場份額。

目前北美是全球最大的硅基光電探測器市場，占有大約40%的市場份額，之后是中國和歐洲市場，二者共占有超過35%的份額。2020年，全球硅基光電探測器市場規(guī)模達(dá)到了830萬美元，預(yù)計(jì)2026年可以達(dá)到1300萬美元，年復(fù)合增長率(CAGR)為6.9% (2021-2027)。與此同時(shí)、中國市場規(guī)模增長快速，預(yù)計(jì)在未來6年內(nèi)的增長率有望比肩全球市場。

光譜儀光電探測器市場現(xiàn)狀

而針對光譜儀光電探測器的市場。全球光譜儀用光電探測器（Photodetector for Spectrometer）的核心廠商包括Hamamatsu、trinamiX和InfraTec等，前三大廠商約占有全球50%的份額。同樣北美也是全球最大的市場，占有大約40%的市場份額，之后是亞太和歐洲，均占比接近30%。從產(chǎn)品角度來看，近紅外線波段是最大的細(xì)分，份額約為30%，其次是遠(yuǎn)紅外線波段，份額約為20%。從應(yīng)用方面來看，醫(yī)療是最大的下游市場，約占40%的份額，其次是食品，約占20%的份額。

綜上所述，筆者認(rèn)為隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，光電探測器在國內(nèi)的受重視程度會(huì)逐年提升，同時(shí)中國市場占全球光電探測器市場的份額也會(huì)相應(yīng)增加，而在國內(nèi)市場中，以硅基光電探測器、兼容CMOS的III-V光電探測器為代表的新型高效能光電探測器的發(fā)展前景非常廣闊，從長遠(yuǎn)來看，中國在全球光電探測器市場占有一席之地似乎也并非遙不可及的夢想。

世界科企先進(jìn)進(jìn)展

英特爾高性能硅基雪崩光電探測器

2008年12月7日，英特爾公司宣布其研究團(tuán)隊(duì)在硅光電子學(xué)領(lǐng)域取得了又一項(xiàng)重大的技術(shù)突破，成功使用基于硅的雪崩光電探測器（Silicon-based Avalanche Photodector）實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)世界紀(jì)錄的高性能，這款雪崩光電探測器使用硅和CMOS 工藝實(shí)現(xiàn)了有史以來最高的340GHz"增益-帶寬積"，這為降低40Gbps或更高數(shù)據(jù)傳輸速度的光學(xué)鏈路的成本開啟了大門，同時(shí)也第一次證明了硅光電子元器件的性能可以超過現(xiàn)有的使用磷化銦（lnP）等更昂貴傳統(tǒng)材料制造的光電子元器件的性能。作為一項(xiàng)新興技術(shù)，硅光電子學(xué)（Silicon Photonics）利用標(biāo)準(zhǔn)硅實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和其它電子設(shè)備之間的光信息發(fā)送和接收。此項(xiàng)技術(shù)也可以應(yīng)用于對帶寬需求高度遠(yuǎn)程醫(yī)療和3D虛擬世界等未來數(shù)據(jù)密集型計(jì)算領(lǐng)域。

日本研制成高性能256×256長波量子點(diǎn)紅外光電探測器

量子點(diǎn)紅外光電探測器（QDIP）由于可以用成熟的常規(guī)GaAs工藝制備，近年來已受到人們的廣泛關(guān)注。它不僅能夠探測正入射光，而且還能在較高的溫度下工作。這些都是量子阱紅外光電探測器（QWIP）所難以比擬的。

日本國防部技術(shù)研究與發(fā)展研究所電子系統(tǒng)研究中心通過與富氏實(shí)驗(yàn)室有限公司等單位合作，用以分子束外延方法生長的自組裝量子點(diǎn)多層膜研制出了一種 256×256 像素長波紅外 QDIP 焦平面陣列該紅外焦平面陣列的像元間隔為40μm，讀出電路采用直接注入式輸入結(jié)構(gòu),積分時(shí)間為 8ms幀速為120Hz，F(xiàn)數(shù)為2.5,工作溫度為80K，為了評價(jià)該紅外焦平面陣列的性能，研究人員將其裝在一個(gè)集成探測器制冷機(jī)組件內(nèi)，在 80K 溫度下對其輸出進(jìn)行了測量。結(jié)果顯示，該陣列的峰值響應(yīng)波長為10.3μm，噪聲等效溫差為87mK。

兼容CMOS的III-V光電探測器

瑞士和美國的研究人員一直努力在硅光子集成電路（PIC）上集成III-V光電探測器結(jié)構(gòu)。IBM ResearchZürich，ETH Zürich和IBM T.J. Watson研究中心的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種工藝，可與主流的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）電子制造相兼容。有源III-V結(jié)構(gòu)由十個(gè)InAlGaAs壓縮量子阱組成，這些量子阱通過550℃金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）生長在InP上。該結(jié)構(gòu)在低于300°C的溫度下與具有氧化鋁結(jié)合層的Si-PIC晶片結(jié)合。研究人員測試了條寬為200nm和300nm的2μm長光電探測器的響應(yīng)。300nm寬的設(shè)備具有8.5GHz的3dB帶寬，而類似的具有直接接觸的設(shè)備的帶寬為1.5GHz。在100GBd開關(guān)鍵的1295nm光信號(hào)調(diào)制下測試了200nm器件,電光帶寬約為65GHz。研究人員認(rèn)為，調(diào)整設(shè)備的幾何形狀可以將帶寬增加到100GHz。該團(tuán)隊(duì)還執(zhí)行了100Gbit/s偽隨機(jī)比特序列OOK測試，通過數(shù)字插值演示了1.9x10-3的誤碼率（BER）。該團(tuán)隊(duì)評論說：“此實(shí)驗(yàn)令人大開眼界，可以使用多級調(diào)制格式，允許每個(gè)通道具有更高的容量。

結(jié)語

可以看到，光電探測器不僅在軍用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛、而且在民用、生活領(lǐng)域中也有大量應(yīng)用，已經(jīng)與我們的生活息息相關(guān)，為人類的生活提供了極大便利，但是目前一些常用的光電探測器，如PbS等，由于其帶有一定的毒性，會(huì)對人體和環(huán)境造成破壞，因此未來的發(fā)展會(huì)受到一定的限制。探索一種無毒且資源豐富的材料，優(yōu)化其光電性能，并將其應(yīng)用在光電探測器領(lǐng)域，一定能夠?yàn)槿祟悗砀蟮母Ｊa。

審核編輯 ：李倩