光电探测器调研报告

题 目： 光电探测器的原理及国内外研究现状

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光电探测器的原理及国内外研究现状

摘 要

概述了光电探测器的分类和基本原理，并从材料体系的选择和器件的主要应用等方面阐述了光电探测器国内外研究现状，预测了硅基雪崩光电探测器在军事和激光雷达等方向的应用前景。

关键词：光电探测器；硅基雪崩光电探测器；激光雷达

Principle and Research Statue at Home and Abroad of

photoelectric detector

Abstract

Described the basic principle and assortment of the photoelectric detector. The domestic and abroad research statue from the aspects of material selection and device main applications is summarized. At last the application prospects of silicon-based avalanche photodetector are predicted, such as research on military and laser radar.

Keywords: phoroelectric detector；silicon-based avalanche photodetector；laser radar

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1 引言

光电探测器的发展历史比较悠久，已有上百年的研究历史。由于这种器件在军事和民用中的重要性，发展非常迅速。随着激光与红外技术的发展，材料性能的改进和制造工艺的不断完善，光电探测器朝这集成化的方向发展。这大大缩小体积、改善性能、降低成本。此外将光辐射探测器阵列与CCD器件结合起来，可以实现信息的传输也可用于热成像领域。

因此，进一步研究光电探测器是一项重要课题，本文章就从原理及国内外最新的研究状况探索光电探测器领先应用。 2 光电探测器入门 2.1 光电探测器的发展历史

最早用来探测可见光辐射和红外辐射的光辐射探测器是热探测器。其中，热电偶早在1826年就已发明出来【1】。1880年又发明了金属薄膜测辐射计。1947年制成了金属氧化物热敏电阻测辐射热计。1947年又发明了气动探测器。经过多年的改进和发展，这些光辐射探测器日趋完善，性能也有了较大的改进和提高。但是，与光子探测器相比，这些光辐射探测器的探测率仍较低，时间常数也较大。从五十年代开始人们对热释电探测器进行了一系列研究工作，发现它具有许多独特的优点，因此近年来有关热释电探测器的研究工作特别活跃，发展异常迅速。热释电探测器的发展以使得热探测器这个领域大为改观，以致有人估计热释电技术将成为发展电子——光学工业的先导。

应用广泛的光子探测器，除了发展最早、技术上也最成熟、响应波长从紫光到近红外的光电倍增管以外，硅和锗材料制作的

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光电二极管、铅锡、Ⅲ～Ⅴ族化合物、锗掺杂等光辐射探测器，目前均已达到相当成熟的阶段，器主要性能已接近理论极限。

1970年以后又出现了一种利用光子牵引效应制成的光子牵引探测器。其主要用于CO2激光的探测。八十年代中期，出现了利用掺杂的GaAs/AlGaAs材料、基于导带跃迁的新型光探测器——量子阱探测器。这种器件工作于8～12μm波段，工作温度为77K。 2.2 光电探测的分类及原理

光电探测器能把光信号转换为电信号。根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同，光电探测器可分为两大类：一类是光子探测器；另一类是热探测器。

光电探测器的工作原理是基于光电效应【2】。热探测器是用探测元件吸收入射辐射而产生热、造成温升,并借助各种物理效应把温升转换成电量的原理而制成的器件。最常用的有温差电偶、测辐射热计、高莱管、热电探测器。一般来说，热探测器的接收元由于表面涂黑它的光谱响应是无选择性的，它只受透光窗口光谱透射特性的限制，因此主要应用于红外区和紫外区，但它的响应率较低、响应速度慢、机械强度低，近来由于热电探测器和薄膜器件的发展，上述缺点已有所改进。

光子型探测器，利用外光电效应制成的光子型探测器是真空电子器件，如光电管、光电倍增管和红外变像管等。这些器件都包含一个对光子敏感的光电阴极，当光子投射到光电阴极上时，光子可能被光电阴极中的电子吸收，获得足够大能量的电子能逸出光电阴极而成为自由的光电子。在光电管中，光电子在带正电的阳极的作用下运动，构成

光电流。光电倍增管与光电管的差别在于，在光电倍增管的光电阴极与阳极之间设置了多个电位逐级上升并能产生二次电子的电极（称为打拿极）。从光电阴极逸出的光电子在打拿极电压的加速下与打拿极碰撞，发生倍增效应，最后形成较大的光电流信号。因此，光电倍增管具有比光电管高得多的灵敏度。

3 光电探测器的国内外研究现状

3.1基于APD的光电探测器电路研究与设计 光电探测器电路用于对光电转换器件输出的微弱电压或电流信号进行放大、处理和整形输出。对于不同探测用途而采用的光电转换器件不同，与之配合使用的光电探测器电路性能也因此而不同。如果用来进行光电转换，则重点考虑的是器件的光电转换效能和匹配方式。

因此有人提出将APD与前置放大器电路配合使用的最佳方法

【3】

加入运算放大器，这样就不会造成信噪比下降，并保证了光电探测器电路的放大倍数。

负载电阻要取的较大，这样SNR会高一些，但R也不能取的过高。因为R过高SNR增加并不显著，反而是高频校正困难。将前置放大器电路第一级T，组成共源放大器，这样电路不仅有电流放大，而且有电压放大作用，因此功率增益比较高。经综合处理后，使电路SNR得到进一步提高。

3.2 一种新型谐振腔增强型光电探测器的性能分析

随着光波分复用通信技术的发展，具有波长选择特性和高响应速度的光探测器已经在光通信中显示出了它的巨大优势。一种新型的光电探测器——谐振腔增强型光电探测器（Resonant Cavity Enhanced Photodetector,RCEP）【4】，该RCEP的基本结构是将吸收层插入到谐振腔当中。由于谐振腔的增强效应使其在较薄的吸收层情况下即可获得较高的量子效率，同时减少了光生载流子在吸收层的渡越时间，提高了器件的响应速度，因而能够解决传统探测器量子效率和响应速度之间的相互制约矛盾。此外，由于谐振腔的作用使该器件本身具有波长选择特性，无需外加滤波器，因而有可能成为波分复用光钎通信系统中的新一代光探测器。

这种谐振腔增强型光探测器将光学滤波器和光电探测器通过F-P微腔巧妙地集成在一起，其独特结构解决了普通光探测器量子效率与载流子渡越时间相互制约的问题，使其在量子效率和响应速度方面获得很大改进。其具有的波长选择特性，使这种新型器件可广泛应用于光探测器、光调制器、发光二极管等多种光电器件。

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。利用光电转换

信噪比数学模型，确定选择与APD匹配的电路器件，给出了前置放大器采用低噪声的分体器件与集成运算放大器相组合的设计方法。通过对前置放大器重要参数信噪比进行测量和分析。结果表明，该探测器电路信噪比优于直接与集成运算放大器匹配的探测器电路，且可靠性高，宜扩展，具有广泛的应用前景。

该光电探测器电路设计如下。为了是光电探测器能高精度地检测及传送微弱信号，需要选择具有抗强干扰的低噪声前置放大器。该前级部分由雪崩光电二极管（APD）与前置放大器组成，也是光电探测器电路的核心部分，其器件选用高性能、低噪声放大器来实现电路匹配，并将电流转换成电压信号，已实现数倍的放大。在前置放大器后再

3.3 热退火对氮铝镓MSM结构紫外光探测器性能的影响

紫外光电探测器是短波光电器件研究领域的热点。这主要是由于其应用范围非常的广泛。紫外光电探测器被称作是21世纪“电子战”的重要武器，尤其是在军用方面红外探测与反红外探测的研究较为成熟，更加凸显了紫外探测器研究的紧迫性以及对国防建设的重要性。此外在民用方面，它可以被应用到火灾探测、水银消毒等方面。由于半导体材料研究的较为成熟，因而人们采用半导体材料作为紫外探测器的制备材料。目前，氮铝镓半导体合金成为了紫外探测器的首选，这主要是因为氮铝镓合金薄膜具有如下的优点：（1）直接带隙半导体材料。（2）大的带隙，从3.4～6.2eV之间连续变化，覆盖整个紫外波段。（3）强的抗辐射性、耐腐蚀性。这些优点是氮铝镓合金的薄膜更加适合制备复杂的器件。

众所周知，对薄膜进行热退火处理，可以提高薄膜的晶体质量，同样对二极管器件进行热退火处理可以降低器件的暗电流【5】。采用MOCVD的方法在Al2O3衬底上制备了MSM结构的Al0.25Ga0.75N紫外光电探测器，并分析不同退火温度条件对器件性能的影响。器件经过1073K的温度退火后，响应度得到了一定程度的提高，1V偏压下在308nm波长处，响应度的峰值达到3.25A/W，器件中存在着增益现象，但响应时间和暗电流都有所增加。但当退火温度为973K时，器件的暗电流在20V偏压下为300pA,而下降时间为110ns，远小于1073K退火时器件的下降时间2.3μs。

3.4 下一代激光雷达的设计与实现

现行的闪光模式激光雷达（Flash

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Ladar）由固体激光器发射出脉冲激光，通过闪光照射模式覆盖整个目标视场（FOV），然后被目标反射回的脉冲信号光，经收集光学、像增强器、近红外焦平面探测器阵列(FPA)，实现三维成像和测距。由于高功率固体激光器、像增强器和近红外焦平面阵列的采用，使系统体积大、重量大、造价高。近年来，基于MEMS的逐点扫描激光雷达系统展现了小体积（少于500cm3）、轻重量(大约1kg)、造价低(大约$10 000)、实时成像（15f/s）等优点。

这种下一代小型化实时成像的激光雷达样机【6】，其激光雷达系统由激光二极管、准直镜、MEMS微扫描器、收集光学、带通滤波器、光电探测器和信号处理装置组成，其核心器件是基于MEMS的微扫描反射镜。MEMS微扫描激光雷达可应用于高精度距离测量和高分辨率三维成像领域。代表微扫描器的三个关键参数是：最大偏转角、镜面面积和谐振频率，三个参数相互制约，但各自有解决的办法。对于320×240元成像系统，为了在目标视场的任一点上产生相同的信号强度，现行的闪光模式激光雷达比下一代MEMS微扫描器激光雷达需加大脉冲激光功率76800倍；而反射回的信号光，又损失了约76800倍光能，使的固体激光器结构庞大。加之需配备像增强器和焦平面器件，使闪光式激光雷达体积大、功耗高、价格贵。下一代MEMS微扫描器激光雷达体积小、重量轻、价格低、功耗低、实时成像，可以广泛应用于机器人视觉、无人驾驶飞行器、陆地车辆导航等领域。

3.5 法国演示采用集成鱼眼光学部件的红外探测器

在美国奥兰多举办的SPIE2011防御、

安全和传感展览会上，法国Sofradir公司和Onera实验室联合演示了一种采用集成鱼眼光学部件的新型红外探测器。

这种新型鱼眼红外探测器是Sofradir公司和Onera实验室联合研制的，在2010年举办的SPIE展览会上，他们曾经演示过一个采用集成光学部件、电视格式、像元间距为15μm的640×512元原型探测器。

现在，由于采用了内置的360°成像技术，

40μm，读出电路采用直接注入式输入结构，积

分时间为8ms，帧速为120Hz，F数为2.5，工作温度为80K，为了评价该红外焦平面阵列的性能，研究人员将其装在一个集成探测器制冷机组件内，在80K温度下对其输出进行了测量。结果显示，该阵列的峰值响应波长为10.3μm，噪声等效温差为87mK。

3.7 英特尔高性能硅基雪崩光电探测器

2008年12月7日，英特尔公司宣布其研究团队在硅光电子学领域取得了又一项重大的技术突破，成功使用基于硅的雪崩光电探测器（Silicon-based Avalanche Photodector）实现了创世界纪录的高性能，这款雪崩光电探测器使用硅和CMOS工艺实现了有史以来最高的340GHz“增益-带宽积”，这为降低40Gbps或更高数据传输速度的光学链路的成本开启了大门，同时也第一次证明了硅光电子元器件的性能可以超过现有的使用磷化铟（lnP）等更昂贵传统材料制造的光电子元器件的性能。作为一项新兴技术，硅光电子学（Silicon Photonics）利用标准硅实现计算机和其它电子设备之间的光信息发送和接收。此项技术也可以应用于对带宽需求高度远程医疗和3D虚拟世界等未来数据密集型计算领域。 4 结论

有了如此高性能的光电探测器件，我们可以拿它来做什么？最显然的还是光通信领域。在节能环保被日益关注的今天，如果有更为灵敏光电探测器件，就可以显著降低激光的功率，从而达到大幅降低能耗的目的。

除此之外，我们还可以将这种器件与一些高精尖的前沿领域联系在一起：例如量子密码领域，需要探测单个光子的存在，这种

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这种新型红外探测器可以帮助导弹告警系统制造商减小相关光学传感器的尺寸并可以使得它们变得更坚固。而在以前，导弹告警系统只能是通过使用独立的光学元部件来提供360°成像的。

将360°成像透镜直接集成到红外探测器中的好处是可以减少光学部件数量、提高相机的光学透过率，这样便可以使相机的灵敏度得到提高。还有，将成像透镜嵌入冷却室可以最大限度地减少杂散光，是热响应和背景电流变得更加稳定，因此无需再进行非均匀性校正。

3.6日本研制成高性能256×256长波量子点红外光电探测器

量子点红外光电探测器（QDIP）由于可以用成熟的常规GaAs工艺制备，近年来已受到人们的广泛关注。它不仅能够探测正入射光，而且还能在较高的温度下工作。这些都是量子阱红外光电探测器（QWIP）所难以比拟的。

日本国防部技术研究与发展研究所电子系统研究中心通过与富氏实验室有限公司等单位合作，用以分子束外延方法生长的自组装量子点多层膜研制出了一种256×256像素长波红外QDIP焦平面阵列。

该红外焦平面阵列的像元间隔为

硅基雪崩光电探测器的性能如果进一步提高，检测到单个光子的可能性是存在的。

我们还会联想到CCD——一种用于相机等成像设备的核心部件。凭借硅基雪崩光电探测器超高的灵敏度，我们可以造出高性能的二维光探测矩阵，可以在红外成像、遥感等领域发挥很大的作用，在卫星、军事和激光雷达等领域都将会有广阔的应用空间。

但我们开始担忧现有的技术是否会临近极限，摩尔定律是否会走向终结的时候，新的革命性的技术却早已经在孕育成长。我们将密切关注这一领域的最新进展，因为它有可能为我们带来无比美好的明天。

让我在写作时有了具体的方向。完成初稿后，他认真查看了我的文章，指出了存在的很多问题，在此十分感谢老师的细心指导。其次，要感谢帮我查资料的同学，在我时间紧张的时候能抽出时间帮我找一些资料。

主要参考文献：

【1】 王正清等编 . 光电探测技术 .

北京：电子工业出版社，1994

【2】 缪家鼎等编著 . 光电技术 .

杭州：浙江大学出版社，1994

【3】 刘辉珞 . 基于APD的光电探测

器电路研究与设计.现代电子技术.2009.

【4】 赵维 . 一种新型谐振腔增强型

光电探测器的性能分析.电子设计工程.2010.5

【5】 刑大林等 . 热退火对氮铝镓

MSM结构紫外光电探测器性能的影响.2011.6

【6】 易可佳等 . 一种下一代激光雷

达的设计与实现.2011.10

致 谢

最后要感谢在整个论文写作过程中帮助过我的每一位人。首先要感谢我的指导老师。在整个过程中，他给了我很大的帮助，

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