金属-无机半导体-金属光电探测器简介

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：为了满足不同领域的应用需求，出现了PN结光电二极管［165，166］、PIN光电二极管［167-169］、雪崩光电二极管［170，171］、金属-半导体-金属光电探测器等不同结构的光电探测器。本章围绕金属-无机半导体-金属光电探测器为主题展开综述。随后，详细介绍了以GaAs、InGaAs、Si／Ge、GaN、ZnO等无机材料作为半导体层的MSM-PDs在过去所取得的研究进展。此外，还介绍了利用金属微纳结构拓展较宽带隙半导体材料MSM-PDs在红外波段响应特性的研究进展。

随着光纤通信［159，160］、传感系统［161，162］、跟踪制导［163，164］等多个领域的不断发展，人们对光电探测技术的要求越来越高。为了满足不同领域的应用需求，出现了PN结光电二极管［165，166］、PIN光电二极管［167-169］、雪崩光电二极管（APDs）［170，171］、金属-半导体-金属光电探测器（MSM-PDs）等不同结构的光电探测器。不同光电探测器的性能差别很大。如PN结光电二极管结构简单易于制备，但光电转换效率低、响应速度较慢，PIN光电二极管结构较复杂，但结电容小、响应率高，雪崩光电二极管结构也较复杂，但响应速度较快［172-175］。相比而言，MSM-PDs由于其本身结构固有的高速、低电容、高响应率等特性而备受关注。此外，MSM-PDs的器件制作工艺相对简单，易实现产业化。

共面肖特基型MSM结构器件概念于1971年被Sze等人提出［176］，此后为适应于光纤通信、传感等不同领域对于探测器工作波段、响应速度、响应率等性能的不同需求，人们对基于不同半导体材料的MSM-PDs开展了大量研究。MSM-PDs的探测范围覆盖了从紫外到红外波段，其中基于GaAs、InGaAs、Si／Ge等材料的MSM-PDs常用于探测可见光和红外光，而紫外MSM-PDs常用GaN、ZnO等直接宽带隙半导体材料制作。GaAs材料具有大的禁带宽度、高的电子迁移率且属于直接带隙，适用于制作超快大功率光电器件［177，178］。早期研究的MSM-PDs以GaAs材料为主，其主要工作波长在0.8μm左右［179，180］。为了使MSM-PD工作波段向长波段扩展，人们开始研究InGaAs材料，通过调节其各组分的含量可以调控其响应波长范围，但InGaAs材料与金属接触势垒高度较低，低的势垒高度会导致较大的暗电流，所以常在InGaAs材料与金属中间引入势垒增强层来降低暗电流［181，182］。Si／Ge材料与GaAs相比禁带宽度较窄、电子迁移率较低，但其制备成本较低，易于大规模集成［183］，因此基于Si／Ge材料的MSM-PDs也受到了较大关注，但在性能方面较GaAs存在明显劣势［184］。在紫外探测方面，GaN、ZnO等直接宽带隙半导体材料本身具备优良的光电特性、抗辐射、耐高温特性，可用于制备大功率、高温、高频器件，具有极其广泛的应用前景［185，186］。与ZnO相比，GaN稳定性好，但缺乏与之匹配的衬底材料，如GaN与蓝宝石之间存在较大的晶格常数和热膨胀系数差异影响了器件的暗电流［187］。而ZnO薄膜生长温度低［188］，不需要昂贵的外延生长方法。近年来，也有不少报道展示了以SiC［189］、TiO2［190］、无机钙钛矿［191］等新兴材料为半导体层的MSM-PDs的独特性能。值得指出的是，除了上述由无机半导体材料构成的MSM-PDs以外，有机MSM-PDs［192-194］以及有机无机杂化钙钛矿MSM-PDs［30，195，196］也在近年来引起了人们的极大关注。

本章围绕金属-无机半导体-金属光电探测器为主题展开综述。首先介绍了MSM-PDs的基本结构及工作原理。随后，详细介绍了以GaAs、InGaAs、Si／Ge、GaN、ZnO等无机材料作为半导体层的MSM-PDs在过去所取得的研究进展。此外，还介绍了利用金属微纳结构拓展较宽带隙半导体材料MSM-PDs在红外波段响应特性的研究进展。最后，总结了全章并对MSM-PDs未来的发展做出了展望。

金属-无机半导体-金属光电探测器简介

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