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续（四）
/00 前言/
前面介绍了按波长分类的紫外、可见、红外探测器。在器件结构选择上，不同波段的探测器结构没有明显的区别，三个波段的探测器件都可以基于光伏、光电导效应设计不同的器件结构，其中光热电主要应用于红外波段。材料选择上，主要基于不同的探测波段选择对应带隙的材料，其中红外需要窄带隙的材料，而紫外探测对应宽带隙的材料。本文主要基于”浅谈光电探测器和图像传感器（四）“的基础上分别从材料、器件等方面介绍一下新型光电探测器件。
/01 器件结构/
从器件原理上，基于半导体的光电探测器主要可以分为：光伏效应型，光电导型，光热效应型，以及其他型（这里暂不讨论）。不同的探测原理具有不同的优缺点和特征，其中光电导有望实现高响应度，但是需要牺牲响应速度为代价，光伏效应具有高速、高响应度等特点，目前相关研究最多，热电效应主要用于红外，存在响应速度慢，选择性低等问题。
中科院上海技物所胡伟达，王振和谢润章团队综述了不同光电探测原理的器件和光电特性。其中光伏效应、光电导效应和热电效应可以通过光电流输出曲线和光电流扫描等方式进行表征和区分。
除了三大光电探测原理外，还有一些其他的新探测机理，比如铁电探测、体光伏效应、热电子效应、弹道雪崩、Electromagnetic induced well (EIW)、photogating效应等。这里暂时不展开叙述，后续有机会再详细总结一下。
其中基于不同的探测原理，其器件结构也是不同的。因此还可以根据具体器件结构设计进行细分，如下图所示。
如上图所示，从器件结构上说，光电探测的器件结构主要包括：MSM结构，PN结构，PIN结构，MIM结构，MOSFET结构，MOS电容结构，quantum well结构，floating gate结构等。其中传统材料器件还是基于PN结和PIN结构为主。而基于新型材料的光电探测器在设计新型器件结构上具有更大的自由度。
/02 材料选择/
从材料上说，光电探测器所选用的材料主要包括:传统半导体（硅基，锗基，锗硅）、化合物半导体（InGaAs,GaN.HgCdTe,InP）、二维材料（石墨烯，硫化钼，硒化钨、一维材料（纳米线）、零维材料（量子点）、有机材料、人工结构材料(nanoparticles,Metasurface)。
前面介绍了部分传统材料的光电探测器，这里主要介绍基于新型材料的光电探测器。
新型材料的发展也推动了更多新型光电探测技术的产生和发展，以二维材料为例，其材料库覆盖了从紫外到红外的全部波段，可用以实现各种不同的光电探测器件。
基于二维材料的光电器件，其不但能基于传统器件结构制备PN结型、MS结型、MOSFET型光电器件，还能借助其范德华异质结构的优势，制备各种复杂多端的异质结器件。在传统材料中，复杂的异质结构是难以实现的，这受限于晶格匹配导致的异质界面生长问题。虽然异质集成对体材料而言困难重重，然而对二维材料来说却是其一大优势，通过范德华力结合实现的集成不但工艺简便，材料选择自由度大，而且其异质结面十分完美。因此借助这一特性，可以看到，基于二维材料的光电探测器件在设计上完全跳出了传统器件的枷锁，不再局限于PN结，PIN结等传统结构，而是出现了各种结构上多端口、多异质界面；衬底上可硅基，可柔性；材料上：多维材料结合的器件构型。
以MoS2为例，云南大学邱锋老师在一篇综述里总结了近年的MoS2的光电探测器如下图所示。可以看到不同的二维材料可以结合形成不同异质结构器件，二维材料还可以和传统三维体材料乃至量子点等更低维度材料结合构建不同功能的光电器件。
从波段上看，以红外探测器为例，二维材料在这一领域也有很多进展。从下图中可以看到二维材料的吸收波段完全可以覆盖传统的材料比如HgCdTe，Ge，InGaAs的对应波段。
基于如石墨烯，BP等制备的光电探测器件展示出宽带探测、高响应度、高速度等性能，乃至实现偏振探测等功能。其中如下图所示，二维材料graphene以其半金属的能带特性，几乎可以覆盖全频段的红外探测光谱。值得注意的是，很多文章也报道了石墨烯在可见、紫外、X射线、THZ等波段展示出优异的性能，其能带隙、高迁移率、vdW界面特性等使得石墨烯真正有望实现all-in-one的探测器件。
除了新型材料，人工结构材料也是目前光电探测领域的研究热点。通过表面等离激元振荡激发热载流子，可以实现材料对特定波段的吸收增强、偏振选择、光谱选择等功能。
表面等离激元是光与物质相互作用增强后产生的一种极化激元，是自由电子同入射光场耦合发生同频率集体振荡的电磁振荡模式。通过特定的人工微结构的设计，可以得到不同的表面等离激元结构。通过等离激元波的传播模式划分，表面等离激元又分为传播的表面等离极化激元（ propagating surface plasmon polaritons， SPPs）和局域的表面等离激元（localized surface plasmon resonance， LSPR）， 它们可以打破衍射极限将光场局域在亚波长范围（通过特殊设计甚至可以使得其光场局域在一个原子尺度范围内）。
将不同的表面等离激元结构和不同的器件构型相结合后又可以得到不同的新型器件，其具体分类如图所示。如上节所示，器件按照结构可以分为光导探测器、p-i-n 光电探测器、MIM探测器和肖特基势垒探测器等不同构型。这些探测器中的等离子体效应可以通过金属纳米粒子中的局域化表面等离子体 (LSPR)、波导中的表面等离子体 (SPP) 和光栅型等离子体来增强。
以石墨烯为例，ref16中列举了一些石墨烯和不同图形化的表面等离激元结构结合的器件示意图。实际上， 石墨烯既可以与金属纳米结构结合形成异质结构，也可以将石墨烯自身图形化为特定结构并激发其表面等离激元， 其与基于金属的等离激元相比具备更高的场可调性。
/03 性能指标/
对光电探测器其性能指标主要是从device level进行考量。作为一个光电器件而言，围绕其输入输出特性，主要考虑的参数包括响应度、响应时间、探测度，动态范围，噪声等效功率等。其中光电导器件，PVFET型器件和Floating Gate型器件由于其器件原理决定的其光信号增益，在性能评估时还需考虑光电增益G。
Png Ching Eng等人从器件结构角度综述了不同红外光电探测器件的研究进展。Fuwei Zhuge等人从材料角度综述了红外探测器的近年进展。
复旦大学方晓生课题组综述了近年来低维宽禁带半导体紫外光电探测器的研究进展和性能对比，如下图所示，可以看到，随着新材料、新器件的探索，近年来在低维新型材料紫外探测领域取得了很多性能上的进展。
由于紫外到近红外，入射光子能量(0.1eV~10 eV)和材料带隙基本是一个水平，所以探测原理基本以直接探测为主。而对于X射线和高能电子，其能量在KeV及其以上量级，其光电过程也更加复杂，从探测原理上说其主要分为直接探测和间接探测两大类。X射线探测这一部分后续再展开讨论。
/04 应用领域/
不同波段光电探测器件的应用场景不同，具体说来主要分为：
紫外光电探测器件主要应用于：环境监测（大气臭氧层监测、水质监测、土壤污染监测等）、辐射探测、航空航天、工业检测（半导体缺陷检测、食品安全检测、伪钞识别等）等领域。
可见光光电探测器件主要应用于：图像采集(数码相机、摄像机、机器视觉、VR/AR等)、光学测量等（光谱分析、光学显微镜、工业视觉检测）。
红外光电探测器件主要应用于：热成像（夜视仪、红外测温仪）、生物医学（生物成像、生物信号检测）、军事（导弹制导、目标识别等）、工业（非接触式测温、物料检测等）、光通信等。
/05 X射线探测：序/
X射线影像设备是一种利用X射线穿透物质的特性，将人体组织或工件内部的结构和缺陷转换为图像的技术。它广泛应用于医疗健康、工业无损探测等领域，在疾病诊断、缺陷检测等方面发挥着重要作用。近年来，随着科技的进步，X射线影像设备不断发展，朝着更高空间分辨率、更低X射线剂量、更低成本的方向发展。基于X射线的成像、探测等设备主要基于X射线的穿透作用、差别吸收、感光作用和荧光作用来实现特定功能。
根据工作原理，X射线探测器可以分为直接探测和间接探测器。
直接探测器: 直接探测器利用X射线与材料的相互作用直接产生电信号。
间接探测器: 间接探测器利用X射线与材料的相互作用产生光信号，再将光信号转换为电信号，比如闪烁体探测器。
根据探测内容可以细分为以下三类：
测量入射 X 射线的辐射功率 - 这类探测器主要用于量化 X 射线的强度。
测量光谱灵敏的探测器 - 这类探测器可以测量不同波长的 X 射线强度分布。
测量空间强度分布的探测器 - 这类探测器可以描绘 X 射线强度的空间分布。
从原理上说，X射线的探测主要还是基于光和物质的相互作用，不过有别于紫外可见波段，紫外可见波段主要基于内光电效应为主，通过光生载流子和后续的载流子分离实现光电信号的转换。X射线波段由于其入射光子的高能量特性和强的粒子性，使得其与物质作用后会产生一系列复杂的效应。
其中对光电信号转换有贡献的主要包括：内光电效应、外光电效应、康普顿散射等。
参考资料：
1. https://www.teamwavelength.com/photodiode-basics/
2.https://www.electronics-tutorials.ws/diode/schottky-diode.html
3. Graphene Schottky diodes: an experimental review of the rectifying graphene/semiconductor heterojunction
4.Reconfigurable two-dimensional optoelectronic devices enabled by local ferroelectric polarization
5. Photovoltage field-effect transistors.2017,Nature
6.Chow, P.C.Y., Matsuhisa, N., Zalar, P. et al. Dual-gate organic phototransistor with high-gain and linear photoresponse. Nat Commun 9, 4546 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-06907-6
7. Tao Hu, Rui Zhang, Jin-Ping Li, Jian-Yun Cao, Feng Qiu,
Photodetectors based on two-dimensional MoS2 and its assembled heterostructures,Chip,2022,100017,ISSN 2709-4723,https://doi.org/10.1016/j.chip.2022.100017.
8. Plasmon-assisted resonant tunneling in graphene-based heterostructures
9. https://www.circuitstoday.com/charge-coupled-devices-ccd
10. Chen, Y., Wang, Y., Wang, Z. et al. Unipolar barrier photodetectors based on van der Waals heterostructures. Nat Electron 4, 357–363 (2021). https://doi.org/10.1038/s41928-021-00586-w
11. Above-bandgap voltages from ferroelectric photovoltaic devices，2010，Nature Nanotechnology
12. Photogating in Low Dimensional Photodetectors
13.Brongersma, M.L., N.J. Halas, and P. Nordlander, Plasmon-induced hot carrier science and technology. Nat. Nanotechnol., 2015. 10 (1): p. 25-34
14.MoS2/h-BN/Graphene Heterostructure and Plasmonic Effect for
Self-Powering Photodetector: A Review
15. How to characterize figures of merit of two-dimensional photodetectors
16.基于二维材料异质结构的新型热载流子器件的研究
17.Li, Z., Yan, T. & Fang, X. Low-dimensional wide-bandgap semiconductors for UV photodetectors. Nat Rev Mater 8, 587–603 (2023). https://doi.org/10.1038/s41578-023-00583-9
18.State-of-the-art photodetectors for optoelectronic integration at telecommunication wavelength
19.Sensors，Recent Progress in Improving the Performance of Infrared Photodetectors via Optical Field Manipulations (mdpi.com)
20.http://x-ray-optics.eu/index.php/en/detectors
21.X射线探测器的研究现状与展望，2021，侯玉欣
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