1980年，Sugeta等人提出的GaAs基MSM-PDs公开发表，该器件为肖特基型共面MSM-PD，其光电响应速度小于100ps［200］。1983年，Wang和Bloom报道了带宽达到100GHz的GaAs基MSM-PDs［221］。1985年，德国的Roth等人将叉指电极应用于肖特基型共面GaAsMSM-PDs（指间距1.5μm，指宽0.5μm），将上升沿和下降沿响应时间缩短为约10ps，在波长为820nm处器件的外量子效率为25%，受仪器设备的限制，他们并未测到器件的频率响应极限［179］。调整叉指电极的几何参数可以进一步优化GaAsMSM-PDs的响应带宽。1988年，VanZeghbroeck等人报道了叉指电极指间距为0.5μm、指宽为0.75μm的GaAsMSM-PDs，结果表明器件的响应时间可进一步降低至4.8ps，3dB带宽为105GHz，具体脉冲响应时间曲线见图6.3（a）［222］。1992年，Chou等人研究了当指宽和指间距从100nm变化到300nm时GaAsMSM-PD器件的性能，他们发现在指宽和指间距为300nm时得到最快的响应速度，响应时间为0.87ps，如图6.3（b）所示，3dB带宽达到510GHz［223］。而光电导型MSM-PDs的响应也可以非常快，它们的响应时间完全由材料的载流子寿命来决定。1991年，Chen等人低温生长的GaAs制备了指宽和指间距为0.2μm的光电导型MSM-PDs，其响应时间为1.2ps，3dB带宽为375GHz，响应率为0.1A／W［177］。
图6.3 （a）GaAsMSM－PD的脉冲响应实验与数值结果对比图［222］；（b）指宽和指间距均为300nm的GaAsMSM－PDs的脉冲响应图［223］；（c）谐振腔增强型GaAsMSM－PD结构示意图［224］；（d）具有凹陷阳极和阴极的GaAsMSM－PD的结构示意图［180］；（e）表面等离激元增强的MSM－PD的结构示意图［225］；（f）基于二维电子气和空穴气的GaAsMSMPD的结构示意图［226］。
传统的共面GaAsMSM-PD器件中，光吸收层深处电场较弱，产生的光生载流子到达电极前在弱电场作用下要传输很长的距离。载流子收集时间长造成了一个长的下降时间拖延，一定程度上影响了器件的频率响应带宽。为了克服这一影响，研究者们提出在AlGaAs缓冲层上方制备器件［180，224］。但是这种方法却导致器件量子效率的下降。1997年，Nikolic等人提出在AlGaAs缓冲层下方，如图6.3（c）所示引入布拉格反射镜以改善器件的量子效率［224］。同年，Yuang等人制备了指宽和指间距分别为3μm的具有凹凸形状电极的GaAsMSM-PD，结构如图6.3（d）所示［180］。这种凹凸形状的电极可增强光吸收区域的电场，缩短载流子到达电极的距离，从而可以有效地收集载流子，使其具有更优越的直流和速度性能，器件在5V偏压下响应率为0.24A／W，较参比器件提高了0.1A／W，所测得的下降沿时间为13ps，较参比器件缩短了45ps。
光电探测器件在经过一段时间的使用后，性能衰退难以避免，表面钝化可以保护器件免受环境污染的影响，有效抑制这些不利因素对器件性能的影响，从而提高器件的稳定性。2005年，Lee等人使用光电化学氧化的方法直接在两电极之间的半导体感光区域增加了一层氧化钝化膜，将器件暗电流从70.0pA降低为13.7pA，并且氧化钝化层减少了表面态，降低了表面击穿的概率，使其击穿电压从42.5V提高到52.5V［227］。
早期的共面MSM-PD中，金属电极形貌简单，由相邻金属条所夹的单缝区域感光。但是金属条表面的反射及其对半导体区域的遮挡使得MSM-PD实际外量子效率比理想状态低了很多。2011年，Karar等人报道了一种高响应率的金属电极含有光栅结构的共面GaAsMSM-PD，结果如图6.3（e）所示，含光栅器件测量到的光电流与无光栅器件相比，增强了4倍［225］。2015年，Sharaf等人进一步从从理论上研究了包含金属光栅电极的GaAsMSM-PD器件的性能［228］，结果表明该结构比传统的只有亚波长狭缝MSM-PD［49］的吸收增加了42倍，外量子效率提高了10倍。他们还从理论上预测了这种设计可以实现909GHz的频率响应特性。此外，Neutens等人利用GaAsMSM-PDs实现了对金属纳米波导表面等离激元模式的检测，他们还计算了该器件由渡越时间限制的频率响应带宽，该参数在电极间距为40nm时可以达到1470GHz［229］。
区别于载流子在体半导体材料中三个空间维度均可运动的传输方式，二维电子气或空穴气（2DEGor2DHG）特指载流子的传输被约束某个特定平面内的情形。当N型AlxGa1-xAs与不掺杂GaAs接触时，由于重掺杂N型AlxGa1-xAs的费米能级距离导带底很近，远高于位于禁带中部附近的GaAs费米能级，使得电子聚集在结处GaAs区，在GaAs近结处形成势阱，势阱中的电子在与结平行的二维平面内作自由电子运动，即形成了2DEG。其优点在于电子供给区是在N型AlxGa1-xAs中，而电子传输过程是在不掺杂GaAs中进行，由于二者在空间中是分离的，所以消除了电子在传输过程中所受的电离杂质散射作用，从而大大提高了电子的迁移率［230］。基于2DEG晶体管的频率响应带宽已经达到640GHz，研究者们寄希望于GaAs2DEG或2DHG光电探测器能够实现频率响应特性的进一步优化。1992年，Litvin等人基于掺杂N型AlxGa1-xAs与不掺杂GaAs复合结构实现了具有40GHz频率响应的MSM-PDs［231］。1997年，Nabet制备了类似的器件，并利用二维电子气模型对该器件的工作原理进行了解释［232］。随后，他们还研究了布拉格反射镜增强型2DEGMSM-PDs器件的性能［233，234］。2014年，他们同时利用2DEG和2DHG，制备了如图6.3（f）所示的复合MSM-PDs，实现了2ps左右的时间响应特性［226］。
有关新型半导体光电探测器：原理与性能的文章
1997年，Carrano等人利用低压金属有机气相沉积法制备了光电导型GaNMSM-PDs，该探测器的响应在350nm处开始截止，对可见光不响应，其暗电流值也很低，在10V反向偏压下暗电流为57pA［278］。对于GaNMSM-PDs，同样也存在金属电极对活性区域遮挡带来的器件性能的下降问题。使用高功函数的金属作为接触电极对于降低GaNMSM-PDs的暗电流同样有效。2013年，Muhammad等人模拟优化了具有不同功函数的金属Pt、Pd和Ni作电极的肖特基型n-GaNMSMPDs［288］。GaN材料虽有许多优异的性能，......
2023-06-24
有机小分子是最早被用于制备有机光电倍增探测器的材料。20世纪90年代，Hiramoto及其合作者就开始了关于有机光电倍增探测器的一系列研究［409，413，414，432，433］。研究表明，如果在PEDOT∶PSS／C60界面处插入一层20nm厚的BCP，器件将失去光电倍增性能。2010年，Hammond等人以CuPc、C60分别作为活性层的给、受体制备了体异质结光电倍增探测器，结构为ITO／NTCDA／C60／C60∶CuPc（7∶3）／BCP／Al，如图7.3所示［434］。......
2023-06-24
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然而，在有机半导体材料中无法实现碰撞电离，这是由于有机半导体中的激子束缚能比较高，大约在0.1～1.4eV，较无机半导体材料的束缚能高了约三个数量级［408］。因而，设计基于有机半导体材料的倍增型光电二极管无法直接借鉴传统无机雪崩二极管中的理论。首先，我们将介绍有机光电倍增探测器的基本器件结构、工作机理及其基本性能参数。随后，我们针对活性层分别为有机小分子和聚合物材料两种不同类型的光电倍增探测器进行了详细介绍。......
2023-06-24
光电探测器是一种受光器件，具有光电变换功能，是一种把光辐射能量转换为便于测量的电能的器件。常用的光电探测器有光电二极管和雪崩光电二极管。有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对，称为光生载流子。这种特性称为光电导。雪崩光电二极管利用半导体结构中的载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号，以提高检测的灵敏度。......
2023-06-19
这种利用电子陷阱辅助空穴形成的隧穿效应正是有机光电倍增探测器实现量子效率超过100%的原理所在。以上所述为有机光电倍增探测器中空穴陷阱辅助下的电子隧穿效应。有机光电倍增探测器由于其活性层的材料不同，可分为小分子基及聚合物基两种不同类型。......
2023-06-24
图1.2纳米材料制备方法物理方法——自上而下；化学方法——自下而上纳米材料的相关研究及合成方法非常多，各领域学者提出很多新的纳米材料制备方法。物理方法制备纳米材料的特点是制备出的材料纯度高，尺寸范围分布较窄，但是由于这种技术对技术设备要求很高，因此制得的纳米材料的形状相对比较单一，而且难以控制。......
2023-06-30
早期研究的有机光电倍增探测器大多是基于小分子，活性层的制备主要是采用热蒸镀方法来实现。Li等人则提出利用有机光导材料Y-TiOPc来获得高性能光电倍增探测器［204］。......
2023-06-24
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