Фотодиоды инфракрасного и видимого диапазонов: Фотодиоды и фотопроводники — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Содержание

Фотодиоды и фотопроводники

Фотодиоды. Принцип действия

Фотодиод работает подобно обыкновенному сигнальному диоду. Отличие заключается в том, что фотодиод генерирует фототок, когда свет поглощается в области переходного слоя полупроводника. Это устройство обладает высокой квантовой эффективностью, а потому находит применение в решении многих задач.

При работе с фотодиодами необходимо точно определить значения выходного тока и учесть чувствительность к падающему свету. На рисунке 1 показана схема фотодиода, состоящая из основных компонентов.

Рисунок 1. Простейшая модель фотодиода. Photodetector — фотодетектор. Junction capacitance — емкость перехода. Series resistance – последовательное сопротивление. Shunt resistance – шунтирующее сопротивление. Load resistance – сопротивление нагрузки

Терминология

Чувствительность

Чувствительность фотодиода может быть определена как отношение генерируемого фототока (I

PD) к мощности падающего света (P) на заданной длине волны:

Режим работы

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя). Выбор режима зависит от требований к скорости работы и количества допустимого темнового тока (тока утечки).

Режим фотопреобразователя

В режиме фотопреобразователя применяется внешнее обратное смещение, которое заложено в основе детекторов серии DET. Ток в контуре определяет освещенность устройства; выходной ток линейно пропорционален входной оптической мощности. Применение обратного смещения увеличивает ширину обедненного перехода, создавая повышенную чувствительность и уменьшая емкость перехода. Таким образом возникают линейные зависимости некоторых величин. Работа в этих условиях, как правило, приводит к увеличению темнового тока; но на это влияет и сам материал фотодиода. (Примечание: детекторы DET работают в режиме обратного направления)

Режим фотогенератора

В фотогальваническом режиме смещение равняется нулю. Ток от устройства ограничен, напряжение в цепи возрастает. В основе этого режима заложен фотогальванический эффект — на нем же работают солнечные батареи. Количество темнового тока при работе в фотогальваническом режиме минимально.

Темновой ток

Темновым током называют ток утечки, который возникает при приложении напряжения смещения к фотодиоду. При работе в режиме фотопреобразователя наблюдается увеличение темнового тока, и его зависимость от температуры. Теоретически темновой ток удваивается при каждом повышении температуры на 10°C, а сопротивление шунта удваивается при повышении на 6°C. Конечно, большее смещение может уменьшить емкость перехода, но количество присутствующего тока утечки при этом увеличится.

На темновой ток также влияет материал фотодиода и размер активной области. Обычно кремниевые фотодиоды создают низкий темновой ток по сравнению с устройствами из германия. В приведенной ниже таблице перечислены некоторые материалы, используемые в производстве фотодиодов и их относительные темновые токи, скорость, чувствительность и стоимость.

Материал	Темновой ток	Скорость	Спектральный диапазон	Стоимость
Силикон (Si)	Низкий	Высокая	От видимого диапазона до ближней ИК	Низкая
Германий (Ge)	Высокий	Низкая	Ближняя ИК область	Низкая
Фосфид галлия (GaP)	Низкий	Высокая	От УФ до видимой области	Варьируется
Арсенид галлия (InGaAs)	Низкий	Высокая	Ближняя ИК область	Варьируется
Антимонид арсенида индия (InAsSb)	Высокий	Низкая	От ближней до средней ИК области	Высокая
Энзимы арсенида галлия (InGaAs)	Высокий	Высокая	Ближняя ИК область	Высокая
Теллурид кадмия ртути (MCT, HgCdTe)	Высокий	Низкий	От ближней до средней ИК области	Высокая

Емкость перехода

Емкость перехода (C_j) является важной характеристикой фотодиода, так как от этого зависит ширина полосы пропускания и чувствительность фотодиода. Следует отметить, что большие площади полупроводников охватывают большую часть соединения и увеличивают зарядную емкость. При применении метода обратного смещения ширина полосы обеднения увеличивается, из-за чего снижается емкость заряда и увеличивается скорость работы.

Ширина полосы пропускания и отклик

Сопротивление нагрузки будет взаимодействовать с емкостью перехода фотоприемника, ограничивая таким образом полосу пропускания. Для наилучшего частотного отклика необходимо использовать ограничитель в 50 Ом в сочетании с коаксиальным кабелем на 50 Ом. Полоса пропускания (f_BW) и время нарастания (t_r) теоретически вычисляются через значения емкости перехода (C_j) и сопротивления нагрузки (R_LOAD):

Эквивалентная мощность шумов

Эквивалентная мощность шумов (NEP) создается напряжением RMS-сигнала, когда отношение сигнал-шум равно (или близко) к единице. Это свойство необходимо, поскольку эквивалентная мощность шумов определяет способность детектора обнаруживать слабое излучение. Эквивалентная мощность шумов прямо пропорциональна активной площади детектора и определяется следующим уравнением:

Где S/N – отношение сигнал-шум, Δf – ширина полосы шума, и энергия возбуждения измеряется в Вт/см².

Термическое сопротивление

Сопротивление нагрузки используется для преобразования генерируемого фототока в выходное напряжение (V_OUT) для отображения на осциллографе:

В зависимости от типа фотодиода сопротивление нагрузки может влиять на скорость срабатывания. Для максимальной пропускной способности рекомендуется использовать коаксиальный кабель на 50 Ом с подходящим резистором на 50 Ом, расположенном на противоположном конце кабеля. Сопоставляя кабель с его характеристическим импедансом можно свести к минимуму вызывной сигнал. Если пропускная способность не важна, можно увеличить напряжение для данного уровня освещенности, увеличив сопротивление нагрузки (R

LOAD). При неверном расчете длина коаксиального кабеля может повлиять на итог эксперимента, поэтому рекомендуется выбирать кабель как можно более короткий.

Шунтирующее сопротивление

Сопротивление шунта представляет собой сопротивление нулевого смещения фотодиодного перехода. Идеальный фотодиод имеет бесконечное сопротивление шунта, но реальные значения могут варьироваться от десятка Ω до тысяч MΩ, а кроме того, шунтирующее сопротивление зависит от материала фотодиода. Например, детектор на основе арсенида галлия имеет шунтирующее сопротивление порядка 10 МОм, а германиевый детектор — в диапазоне до килоОм. Таким образом можно регулировать шумовой ток на фотодиоде. Тем не менее, для большинства задач высокая сопротивляемость оказывает малое влияние и обычно игнорируется.

Последовательное сопротивление

Последовательное сопротивление — это сопротивление полупроводникового материала, обычно им пренебрегают Последовательное сопротивление возникает из-за химических связей внутри фотодиода и используется в основном для определения линейности зависимостей некоторых характеристик фотодиода в условиях нулевого смещения.

Общие принципы работы

Рисунок 2. Схема обратного смещения (DET детекторы). Protection diode – защитный диод. Photodetector — фотоприемник. Voltage regulator – регулятор напряжения. C filter – RC-фильтр. V Bias – V-смещение

Детекторы серии DET основаны на схеме, изображенной выше. Детектор работает в режиме обратного направления, таким образом обеспечивается линейная зависимость чувствительности от приложенного света. Количество создаваемого фототока также зависит от падающего свете и длины волны. Эти данные можно вывести на осциллограф путем присоединения сопротивления нагрузки на выходе. Функция RC-фильтра состоит в том, чтобы с помощью него отделить любой высокочастотный шум, исходящий от сигнала источника питания.

Рисунок 3. Схема фотоприемника с усилителем. Transimpedance Amp – управляемый током усилитель напряжения. Feedback – обратная связь

Можно также использовать фотоприемник с усилителем, чтобы достичь высокого коэффициента усиления. Пользователь может выбрать режим работы. У каждого режима есть ряд преимуществ:

Влияние на частоту модуляции

Сигнал фотокондуктора будет оставаться постоянным до предельного времени отклика. Многие детекторы, включая устройства на PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) и InAsSb, имеют спектр шума 1 / f (т. е. шум уменьшается с увеличением частоты модуляции), что существенно влияет на время отклика на более низких частотах.

Детектор будет проявлять меньшую чувствительность на более низких частотах модуляции.

Частота и обнаружение максимальны при:

PbS — и PbSe – фотокондуктивные детекторы

Широко используются фотопроводящие детекторы свинцового сульфида (PbS) и селенида свинца (PbSe) для обнаружения инфракрасного излучения от 1000 до 4800 нм. В отличие от стандартных фотодиодов, которые создают ток при воздействии света, электрическое сопротивление фотопроводящего материала уменьшается при освещении светом. Хотя PbS и PbSe-детекторы могут использоваться при комнатной температуре, температурные колебания будут влиять на темновое сопротивление, чувствительность и частоту отклика.

Рисунок 4. Базовая схема фотокондуктора. Active Area – рабочая площадь. Dark Resistance – темновое сопротивление. Ground — заземление. Bias Voltage – напряжение смещения. Output signal – выходной сигнал

Принцип действия

У фотопроводящих материалов падающий свет приводит к увеличению числа заряженных частиц в активной области, что уменьшает сопротивление детектора. Изменение сопротивления влечет к изменению регистрируемого напряжения, поэтому фоточувствительность принято выражать в единицах В / Вт. Пример рабочей схемы показан далее. Обратите внимание, что данная схема не предназначается для практических целей, так как в ней присутствует низкочастотный шум.

Механизм обнаружения основан на проводимости тонкой пленки активной области. Выходной сигнал детектора без падающего света определяется следующим уравнением:

В случае, когда свет попадает на активную область, изменение выходного напряжения определяется таким соотношением:

Частотный отклик

Для получения сигналов переменного тока фотопреобразователи должны подключаться в цепь, где присутствует импульсный сигнал. То есть при использовании этих детекторов в схемах с CW-источниками следует подключать оптический прерыватель. Чувствительность детектора (R_f) при использовании прерывателя рассчитывается уравнением:

Здесь fc — частота модуляции, R₀ — отклик при нулевой частоте, τ_r — время нарастания импульса детектора.

Влияние на частоту модуляции

Детектор будет проявлять меньшую чувствительность на более низких частотах модуляции.

Частота и обнаружительная способность максимальны при:

Температурная устойчивость

Обнаружители состоят из тонкой пленки на стеклянной подложке. Эффективная форма и рабочая площадь фотопроводящей поверхности могут значительно варьироваться в зависимости от условий эксплуатации. При этом рабочие характеристики прибора также меняются, в частности — чувствительность детектора изменяется в зависимости от рабочей температуры.

Температурные характеристики запрещенных полос в соединениях PbS и PbSe отрицательны, поэтому охлаждение детектора сдвигает диапазон спектрального отклика на область более длинных волн. Для достижения наилучших результатов рекомендуется использовать фотодиоды в стабильной среде.

Схема фотопроводника с усилителем

Из-за шума, характерного для фотопроводниковых материалов, эти устройства подключают в цепи переменного тока. Шум постоянного тока, возникающий при смещении, слишком высок что негативно отражается на работе детектора.

ИК-детекторы обычно подключаются в сети переменного тока для снижения шумов. Предусилитель необходим для поддержания стабильности и лучшей регистрации генерируемого сигнала.

На схеме видно, что операционный усилитель установлен в участке цепи обратной связи между точками А и В. Разность между двумя входными потенциалами увеличивается и сохраняется на выходе. Также важно обратить внимание на фильтр верхних частот, блокирующий любой сигнал постоянного тока. Кроме того, сопротивление нагрузочного резистора (R_LOAD) должно равняться темновому сопротивлению детектора, чтобы обеспечить получение максимального сигнала. Напряжение блока питания (+ V) должно соответствовать величине напряжения, когда отношение сигнал-шум близко к единице. Некоторые задачи требуют большего напряжения, что провоцирует возрастание шумов.

Выходное напряжение вычисляется следующим образом:

Рисунок 5. Feedback resistor – резистор обратной связи

Отношение сигнал/шум

Так как шум от детектора обратно пропорционален частоте модуляции, на низких частотах шум достигает наибольшего значения. Выходной сигнал детектора линейно зависит от возрастающего напряжения смещения, но влиянием шума на небольшие смещения можно пренебречь. При достижении напряжение смещения, шум детектора будет линейно увеличиваться пропорционально напряжению. Если напряжение слишком высоко, шум будет увеличиваться экспоненциально, тем самым ухудшая отношение сигнал / шум. Чтобы получить наилучшее отношение, частоту модуляции и напряжение смещения необходимо регулировать.

Эквивалентная мощность шумов

Эквивалентная мощность шумов (NEP) создается напряжением RMS-сигнала, когда отношение сигнал-шум равно единице. Это необходимо, поскольку эквивалентная мощность шумов определяет способность детектора обнаруживать малое излучение. Мощность шумов прямо пропорциональна активной площади детектора и определяется следующим уравнением:

Где S/N – отношение сигнал-шум, Δf – ширина полосы шума, и энергия возбуждения измеряется в Вт/см².

Темновое сопротивление
Темновое сопротивление — это сопротивление детектора без падающего света. Важно отметить, что темное сопротивление имеет тенденцию увеличиваться или уменьшаться с температурой. Охлаждение устройства увеличивает темное сопротивление.

Обнаружение (D) и удельная обнаружительная способность(D*)

Обнаружительная способность (D) — еще один критерий оценки работы фотоприемника. Это мера чувствительности, связанная обратной зависимостью с эквивалентной мощностью шума.

Высокие значения обнаружительной способности указывают на высокую чувствительность, что особенно важно для обнаружения сигналов слабого излучения. Обнаружительная способность зависит от длины волны падающего света.

Эквивалентная мощность шумов детектора зависит от активной области детектора, что также влияет на чувствительность. Это затрудняет определение внутренних свойств пары детекторов. Чтобы проигнорировать ненужные зависимости, для оценки работы фотоприемника используется такое понятие как удельная способность к обнаружению (D *), которая не зависит от рабочей области детектора.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ

Видеть невидимое. Ближний инфракрасный диапазон (0.9-1.7мкм) / Хабр

На видео может показаться, что вольфрамовым ломом черпают расплавленный светящийся уран, но… но нет. И это не изображение тепловизора — это самый ближний инфракрасный спектральный диапазон. Возможно, вы больше не увидите таких уникальных картинок, которые спрятались под кат, добро пожаловать…

ps: читающие заголовок в мобильной версии анимацию сейчас не видят, поэтому добро пожаловать сразу в статью… ваша чашка со свежезаваренным кофе далее по тексту… =)

Обычные кремниевые детекторы ПЗС и CMOS не могут использоваться для получения изображения в спектральном диапазоне с длиной волны более 1мкм. Кванты с длиной волны 1мкм не могут индуцировать электроны в кремниевых детекторах, квантовая эффективность в ближнем ИК диапазоне быстро спадает до нуля.

Для регистрации ближнего ИК излучения используют уже детекторы на основе арсенид галлия-индия (InGaAs). Ну и несколько лет назад нам попал в руки коммерческий детектор такого типа ближнего ИК диапазона (SWIR, Near-infrared). Разрешение детектора небольшое: 320х256 элементов. Спектральная характеристика детектора представлена на рисунке ниже.

Казалось, ничто не предвещало сложностей, и разработка камеры на данном детекторе не должна была бы отличаться от разработки камеры видимого диапазона, но это оказалось не так. Основной сложностью оказался очень большой темновой ток детектора и очень большой разброс в параметрах отдельных элементов. Посмотрите на график ниже:

За время 16мс потенциальная яма отдельных элементов детектора быстро заполняется на 3-5%, а для частоты 25 кадров в секунду (40мс) это уже 8-12%. Для ёмкости потенциальной ямы элемента детектора 6млн. электрон — это 600 000 электронов темнового тока отдельного элемента, а шум в отдельном пикселе составляет более 800 электрон. Много это или мало? Для регистрации освещенных объектов вполне нормально, но для чувствительной камеры, которая способна регистрировать собственное излучение объектов с температурой до 100’C (как представленное на первом видео) — шум 800 электронов это очень и очень много.
На графике представлено излучение абсолютно черного тела, как видно, для объектов с температурой 300-400K излучение в диапазоне 1-2мкм очень слабое.

Второй особенностью является очень большой разброс характеристик каждого элемента в отдельности. Разработка заняла несколько лет, упор делался на разработку малошумящей аналоговой схемотехники, а также на аппроксимацию характеристик отдельных элементов в зависимости от температуры. Повторюсь, детектор коммерческий, мы не могли охладить детектор и напрямую уменьшить уровень темнового тока возможности не было, но смогли реализовать термостатирование детектора, что значительно сказалось на стабильности характеристик.

Ранее мы в некоторых статьях упоминали данную камеру и приводили сравнение её работы с детекторами видимого диапазона, а также с электронно оптическим преобразователем ЭОП 3+:
«Как видят ночью разные камеры и приборы»
также демонстрировали возможности данной камеры в режиме наблюдения звезд днём:
«Наблюдение звёзд днём или дневная астрономия»

Сейчас же мы хотим дополнить опубликованное ранее и продемонстрировать другие уникальные возможности камеры ближнего ИК диапазона.

Самый распространенный вопрос — «Как камера видит в тумане?». Качественный туман застать довольно непросто, поэтому сразу извиняемся за, возможно, не очень показательное видео. Для того, чтобы продемонстрировать, как видно в реальности глазами, использовалась камера видимого диапазона PanasonicGM1.

само видео наблюдения в тумане SWIR камерой

оригиналы видео доступны по ссылкам

Видео VS320 исходник

Видео PanasonicGM1 оригинал

На всякий случай предупредим, что туманы очень сильно отличаются друг от друга, бывают туманы, когда ни в одном спектральном диапазоне ничего не видно. Результат сильно зависит от дисперсии частиц воды.

Чувствительность же камеры демонстрирует видео, фрагмент которого представлен в заголовке статьи. Это обычная чашка с вкусным свежезаваренным кофе. В начале видео мы наблюдаем собственное тепловое излучение объектов, а после включения освещения — отраженное. Пока камера VS320 единственная, которая может демонстрировать видео излучения объектов до 100’C. Мы несколько раз показывали это видео на выставках и всегда сталкивались со скепсисом =)

Для примера: цветная камера и глаз видят раскаленный металл с температурой выше 500’С, черно-белая ПЗС-матрица видит жало горячего паяльника с температурой 400’С, SWIR камера VS320 видит предметы начиная с 50-60’С.

Более объективные измерения по модели абсолютно черного тела. Примерно на уровне 50 градусов шум элементов детектора и сигнал модели абсолютно черного тела сравниваются.

оригинал видео можно получить здесь (внимание! большой размер, так как без сжатия)
«Видео VS320 черное тело»

Из некоторых интересных моментов, с которыми мы столкнулись во время работы с камерами,
это особенная защита, которую наносят на банкноты, возможно это люминесцентные маркеры:
Изображения банкнот при обычном освещении не отличается от указанных на сайте Центробанка России, для примера 500р:

но при освещении исключительно видимым спектром (люминесцентной лампой) наблюдаются маркеры, которые находятся у разных банкнот в разных местах и могли бы использоваться для дополнительной автоматической сортировки банкнот:

на сайте ЦБ РФ такая защита не обозначена

В новых купюрах от такой маркировки, видимо, отказались, теперь маркер находится в одном и том же месте, круглый с буквой Р:

и вот все банкноты вместе:

Так же следует отметить, что ночное небо очень яркое в ближнем ИК диапазоне. Это позволяет конкурировать камерам ближнего ИК диапазона с другими приборами ночного видения, а так же для каких-то применений вроде обнаружения объектов на фоне «яркого» ночного неба.

VS320. Ночное небо в ближнем ИК. исходник (200МБайт)

А вот днём наоборот, в ближнем ИК диапазоне небо намного темнее (в сравнении с яркостью неба в видимой части спектра), для примера кадр в очень яркий солнечный день.

Эта свойство может использоваться для наблюдения за небесными объектами днём, частный случай которого был описан в статье: «Наблюдение звёзд днём или дневная астрономия».

Наиболее важным свойством камеры ближнего ИК (наравне с возможностью улучшения видимости в тумане) — это значительно лучшая видимость в дымке, для сравнения кадры разных частей спектра:

А вот видео в ближнем ИК диапазоне по вантовому мосту на дальности 9-10км.

а вот демонстрация на дальности в 9км по Смольному (в середине видео включается функция камеры: локальное контрастирование (аналог HDR/DDE) )

Можно ещё довольно много рассказывать про ближний ИК-диапазон, но, к сожалению, это выходит за объём одной статьи. Если получится и будет достаточно материала, мы обязательно продолжим. Подводя итоги можно сказать, что камеры ближнего ИК можно применять:

— для улучшения видимости в тумане
— для улучшения видимости при атмосферной дымке, смоге
— в качестве приборов ночного видения (улучшения видимости ночью)
— поиске объектов на дневном небе
— при разработке мультиспектральных камер, когда важно увидеть значительно теплый
скрытый в видимом диапазоне объект
— для особых применений в промышленности, когда важен именно этот спектральный диапазон
— поиске замаскированных предметов, когда одни краски становятся малоконтрастными, а другие наоборот темнеют в данном диапазоне или люминесцируют.

Хотелось бы сказать спасибо организации НПК «Фотоника», которая предоставила данный детектор для разработки и финансировала работу в течение длительного времени. Результатом работы явилась камера с очень высокими характеристиками по чувствительности. Отдельное спасибо коллегам, которые её разработали, несколько раз переработали, а также построили математическую модель и разработали методику калибровки такого строптивого InGaAs детектора.

Ну и собственно фотография камеры VS320 «в размере»:

Ждем вопросы в комментариях, будем рады ответить.

Введение в фотодиоды: природа света и PN-переходы

Добавлено 1 января 2020 в 04:46

Сохранить или поделиться

Рассмотрим, как полупроводниковые устройства взаимодействуют с электромагнитным излучением, чтобы обеспечить электронное обнаружение видимого света, ультрафиолетового и инфракрасного излучения.

Фотодиоды – это измерительные устройства, которые генерируют электрические сигналы в ответ на различные типы высокочастотного электромагнитного излучения (видимый свет, свет, сфокусированный линзой камеры, сигналы лазеров, используемые в системах связи, тепловое излучение и так далее).

Данное введение в фотодиоды послужит подготовкой к дальнейшему изучению светочувствительных схем, приложений и технологий и состоит из пяти отдельных статей:

Что такое свет?

Если вы изучали квантовую механику, то знаете, что этот вопрос не так прост, как кажется. К счастью, нам не нужно разгадывать тайны Вселенной, чтобы успешно интегрировать фотодиоды в наши электронные системы. Однако нам необходимо иметь базовое научное представление о свете.

Электромагнитное излучение и длины волн

Электромагнитное излучение (ЭМИ, EMR, electromagnetic radiation) распространяется как волна, а также состоит из безмассовых частиц, называемых фотонами. Мы классифицируем электромагнитные волны по их длине волны. Свет – это просто ЭМИ, которое попадает в определенный диапазон длин волн.

Если мы примем строгую интерпретацию слова «свет», мы будем связывать это слово только с длинами волн видимого диапазона, то есть с длинами волн света, к которым чувствителен человеческий глаз. Длины волн оптического диапазона находятся в диапазоне от 400 нм до 700 нм, причем разные длины волн соответствуют разным цветам.

Как вы можете видеть на диаграмме ниже, цвета начинаются с фиолетового (у которого самая короткая длина волны) и движутся через радугу к красному (у которого самые длинные волны).

Рисунок 1 – Длины волн видимого света

Мы также можем применить слово «свет» к электромагнитному излучению, которое находится близко, но не в пределах оптического диапазона. Инфракрасный свет простирается в диапазоне от 700 нм до 1 мм, а ультрафиолетовый свет находится в диапазоне от 400 до 10 нм. Когда термин «свет» интерпретируется в этом более широком смысле, мы можем использовать термин «видимый свет», чтобы отличать оптическое ЭМИ от инфракрасного и ультрафиолетового излучений.

Электромагнитное излучение и фотоны

Инженеры-электронщики часто подчеркивают квантовую природу света, потому что во взаимодействии между светом и электронными схемами важную роль играют фотоны. Фотоны передают энергию, и эта энергия, связанная с отдельным фотоном, определяется длиной волны.

ЭМИ с более высокой частотой (или более короткой длиной волны) имеет фотоны с более высокой энергией, а ЭМИ с более низкой частотой (или большей длиной волны) имеет фотоны с более низкой энергией.

PN-переход и диод

Возьмите кремний полупроводникового качества (действительно чистый материал). В одну его часть добавьте пятивалентный элемент, чтобы получить кремний N-типа, а соседнюю его часть легируйте трехвалентным элементом, чтобы получить кремний P-типа. Теперь у вас есть PN-переход – один из столпов постмодернистской цивилизации.

Когда кремниевый PN-переход помещен в корпус и используется в цепи, мы называем его диодом (или кремниевым диодом, если быть более точным). Когда мы создаем обычные диоды, мы обычно думаем о работе с прямым смещением: диод блокирует ток, когда его напряжение прямого смещения меньше примерно 0,6 В, и он свободно проводит ток, когда его напряжение прямого смещения больше 0,6 В. (Это серьезное, но полезное упрощение. Для более глубокого обсуждения этой темы посмотрите статью об упрощенных методах анализа схем для диодных схем с прямым смещением.)

Что касается фотодиодов, нам интересна работа с нулевым или обратным смещением. Этот принцип реализации фотодиода имеет решающее значение, поэтому, прежде чем закончить, давайте обсудим его еще немного.

PN-переход как оптический детектор

Назначение фотодиода – генерировать ток, который пропорционален интенсивности видимого, инфракрасного или ультрафиолетового света. Технический термин, обозначающий интенсивность света, измеряемую фотодиодом, – это освещенность.

Фотодиод имеет прозрачный корпус, который позволяет свету достигать PN-перехода, а в правильно спроектированной схеме с фотодиодом падающий свет будет создавать точные изменения в величине тока, протекающего через фотодиод.

Рисунок 2 – PN-переход как оптический детектор

Если мы направим смещение фотодиода в точку проводимости, у нас больше не будет оптического детектора. Детектирование света происходит, когда энергия, передаваемая падающими фотонами, существенно влияет на общий ток диода. Через проводящий диод при прямом смещении ток свободно протекает независимо от падающего света. Таким образом, схемы с фотодиодами проектируются так, чтобы фотодиод имел нулевое или обратное смещение.

Фотодиод с нулевым смещением работает в фотоэлектрическом режиме, а фотодиод с обратным смещением работает в фотопроводящем режиме. Эти два режима будут рассмотрены подробнее позже.

Измерение видимого света, инфракрасного и ультрафиолетового излучения

Фотодиоды – это полупроводниковые устройства, которые можно использовать для измерения видимого света, инфракрасного или ультрафиолетового излучения. Кремниевый фотодиод принципиально не отличается от типового кремниевого выпрямительного диода, но фотодиоды используют преимущества нулевого или обратного смещения PN-перехода.

В следующей статье мы обсудим физику работы светочувствительных PN-переходов.

Оригинал статьи:

PN переходВидимый светДлина волны оптического диапазонаИнфракрасное излучениеСветУльтрафиолетовое излучениеФотодиодЭлектромагнитное излучение (ЭМИ) / Electromagnetic radiation (EMR)Электронные компоненты

Сохранить или поделиться

Фотодиод — chipenable.ru

Фотодиод — это полупроводниковый диод, у которого ток зависит от освещенности. Обычно под этим током подразумевают обратный ток фотодиода, потому что его зависимость от освещенности выражена на порядки сильнее, чем прямого тока. В дальнейшем мы будем говорить именно про обратный ток.

В общем случае фотодиод представляет собой p-n переход, открытый для светового излучения. Под воздействием света в области p-n перехода генерируются носители заряда (электроны и дырки), которые проходят через него и вызывают напряжение на выводах фотодиода или протекание тока в замкнутой цепи.

Фотодиод, в зависимости от его материала, предназначен для регистрации светового потока в инфракрасном, оптическом и ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Фотодиоды изготавливают из кремния, германия, арсенида галлия, арсенида галлия индия и других материалов.

Фотодиоды широко используются в системах управления, метрологии, робототехнике и других областях. Также они используются в составе других компонентов, например, оптопар, оптореле. Применительно к микроконтроллерам, фотодиоды находят применение в качестве различных датчиков — концевых датчиков, датчиков освещенности, расстояния, пульса и т.д.

На электрических схемах фотодиод обозначается как диод, с двумя направленными к нему стрелочками. Стрелки символизируют падающее на фотодиод излучение. Не путайте с обозначением светодиода, у которого стрелки направлены от него.

Буквенное обозначение фотодиода может быть VD или BL (фотоэлемент).

Фотодиод работает в двух режимах: фотодиодном и фотогальваническом (фотовольтаическом, генераторном).

В фотодиодном режиме используется источник питания, который смещает фотодиод в обратном направлении. В этом случае через фотодиод течет обратный ток, пропорциональный падающему на него световому потоку. В рабочем диапазоне напряжений (то есть до наступления пробоя), этот ток практически не зависит от приложенного обратного напряжения.

В фотогальваническом режиме фотодиод работает без внешнего источника питания. В этом режиме он может работать в качестве датчики или в качестве элемента питания (солнечной батареи), так как под воздействием света на выводах фотодиода появляется напряжение, зависящее от потока излучения и нагрузки.

Чтобы получше разобраться с режимами работы фотодиода, нужно рассмотреть его вольтамперную характеристику.

График состоит из 4 областей, так называемых квадрантов. Фотодиодному режиму соответствует работа в 3-м квадранте.

При отсутствии излучения график представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики обычного полупроводникового диода. Присутствует небольшой обратный ток, который называется тепловым (темновым) током обратно смещенного p-n перехода.

При наличии светового потока, сопротивление фотодиода уменьшается и обратный ток фотодиода возрастает. Чем больше света падает, тем больший обратный ток течет через фотодиод. Зависимость обратного тока фотодиода от светового потока в этом режиме линейная.

Из графика видно, что обратный ток фотодиода слабо зависит от обратного напряжения. Посмотрите на наклон графика от нулевого напряжения до напряжения пробоя, он маленький.

Фотогальваническому режиму соответствует работа фотодиода в 4-м квадранте. И здесь можно выделить два предельных случая:

— холостой ход (хх),
— короткое замыкание (кз).

Режим близкий к холостому ходу используется для получения энергии от фотодиода. То есть для применения фотодиода в качестве солнечной батареи. Конечно, от одного фотодиода будет мало проку, да и КПД у него невысокий. Но если соединить много элементов, то такой батареей можно запитать какое-нибудь мало-потребляющее устройство.

В режиме короткого замыкания, напряжение на фотодиоде близкое к нулю, а обратный ток прямо пропорционален световому потоку. Этот режим используется для построения фотодатчиков.

В чем преимущество и недостатки фотодиодного и фотогальванического режимов работы? Фотодиодный режим обеспечивает большее быстродействие фотодиода, но в этом режиме всегда есть темновой ток. В фотогальваническом режиме темнового тока нет, но быстродействие датчиков будет ниже.

Продолжение следует.

Приборы ИК-диапазона

Общие сведения

Инфракрасный (ИК) диапазон — это диапазон излучения электромагнитных волн от 0.78 до 1000 мкм.

ИК поддиапазоны:

Ближний ИК (англ. near IR, сокращённо NIR ): 0.78 — 1 мкм;
Коротковолновый ИК (англ. short wavelength IR, сокращённо SWIR ): 1 — 3 мкм;
Средневолновый ИК (англ. medium wavelength IR, сокращённо MWIR ): 3 — 6 мкм;
Длинноволновый ИК (англ. long wavelength IR, сокращённо LWIR ): 6 — 15 мкм;
Сверхдлиннволновый ИК (англ. very long wavelength IR, сокращённо VLWIR ): 15 — 1000 мкм.

Инфракрасный спектральный диапазон 0,78 — 3 мкм применяется в ВОЛС (сокр. от волоконно-оптическая линия связи), приборах внешнего наблюдения за объектами и аппаратуре для проведения химического анализа. В свою очередь все длины волн начиная с 2 мкм и заканчивая 5 мкм используются в пирометрах, и газовых анализаторах, контролирующих уровень загрязнения в конкретной среде. Интервал 3 — 5 мкм более подходит для систем, регистрирующих изображения объектов, с высокой собственной температурой или же в применениях где требование к контрасту предъявляются выше чем к чувствительности. Очень популярный для спецприменений спектральный диапазон 8 — 15 мкм в основном используется там, где необходимо увидеть и распознать любые объекты, находящиеся в тумане.

Все ИК-приборы разрабатываются в соответствии с графиком пропускания ИК излучения, который приведён ниже.

Существует два типа ИК детекторов:

Фотонные. Чувствительные элементы состоят из полупроводников различных типов, а так же могут включать в свою структуру различные металлы, принцип их работы основан на поглощении фотонов носителями заряда, в результате чего изменяются электрические параметры чувствительной области, а именно: изменение сопротивления, возникновение разности потенциалов, фототока и др. Данные изменения могут быть зарегистрированы измеряющими схемами, сформированными на подложке, где расположен сам сенсор. Сенсоры обладают высокой чувствительностью и высокой скоростью отклика.

Тепловые. ИК излучение поглощается чувствительной областью сенсора, нагревая её до некоторой температуры, что приводит к изменению физических параметров. Данные отклонения которые могут быть зарегистрированы измеряющими схемами, выполненными непосредственно на одной подложке с фоточувствительной областью. Описанные выше типы датчиков имеют высокую инерционность, значительное время отклика и относительно низкую чувствительность, в сравнении с фотонными детекторами.

По типу используемого полупроводника датчики разделяются на:

Собственный (нелегированный полупроводник с равной концентрацией дырок и элеткронов).
Примесный (легированный полупроводник n- или p-типа).

Основным материалом всех фоточувствительных сенсоров является кремний или германий, которые могут быть легированы различными примесями бора, мышьяка, галлия и др. Примесный фоточувствительный датчик схож с собственным детектором, с той лишь разницей что носители с донорных и акцепторных уровней могут перемещаться в зону проводимости преодолевая более низкий энергетический барьер, вследствие чего данный детектор может работать с более короткими длинами волн, чем собственный.

Типы конструкций детекторов:

Фотовольтаический. Под воздействием ИК излучения в электронно-дырочном переходе возникает фотовольтаический эффект: фотоны с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны, поглощаются электронами, в результате чего они занимают места в зоне проводимости, способствуя тем самым возникновению фототока. Детектор может быть выполнен на основе как примесного так и собственного полупроводника.

Фоторезистивный. Чувствительным элементом сенсора является полупроводник, принцип работы данного датчика основан на эффекте изменения сопротивления проводящего материала под воздействием ИК излучения. Свободные носители заряда, генерируемые фотонами в чувствительной области, приводят к уменьшению её сопротивления. Сенсор может быть выполнен на основе как примесного так и собственного полупроводника.

Фотоэмиссионный, он же «детектор на свободных носителях» или на барьере Шоттки.; Чтобы избавиться от необходимости глубокого охлаждения примесных полупроводников, и в некоторых случаях достичь чувствительности в более длинноволновом диапазоне, существует третий тип детекторов, называемых фотоэмиссионными. В датчиках данного типа металлическая или металло-кремниевая структура покрывает примесный кремний. Свободный электрон, который образуется в результате взаимодействия с фотоном, попадает из проводника в кремний. Преимуществом такого детектора является отсутствие зависимости отклика от характеристик полупроводника.

Фотодетектор на квантовой яме. Принцип действия схож с примесными детекторами, в которых примеси используются для изменения структуры запрещённой зоны. Но в данном типе детектора примеси сконцентрированы в микроскопических областях где ширина запрещенной зоны значительно сужена. Образованная таким образом «яма» называется квантовой. Регистрация фотонов происходит, за счет поглощения и образования зарядов в квантовой яме, которые затем вытягиваются полем в другую область. Такой детектор намного чувствительнее по сравнению с другими типами, так как целая квантовая яма — это не отдельный атом примеси, а от десяти до ста атомов на единице площади. Благодаря этому можно говорить о достаточно высокой эффективной площади поглощения.

Термопары. Основным элементом данного устройства является контактная пара двух металлов с различной работой выхода, в результате чего на границе возникает разность потенциалов. Это напряжение пропорционально температуре контакта.

Пироэлектрические детекторы изготовлены с использованием пироэлектрических материалов и принцип работы которых основан на возникновении заряда в пироэлектрике при прохождении через него теплового потока.

Микробалочные детекторы. Состоит из микробалки и проводящего основания, которые выполняют роль обкладок конденсатора, микробалка сформирована из двух плотно соединённых металлических частей, имеющих разные коэффициенты теплового расширения. При нагреве балка изгибается и изменяет ёмкость структуры.

Болометры (Терморезисторы) состоят из терморезистивного материала, в основе принципа работы данного сенсора поглощение ИК излучения материалом чувствительного элемента, что приводит к увеличению его температуры, что в свою очередь вызывает изменение электрического сопротивления. Есть два пути снятия информации: измерение тока, протекающего в чувствительной области, при постоянном напряжении и измерение напряжения при постоянном токе.

Основные параметры

Чувствительность — отношение изменения электрической величины на выходе приёмника излучения, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения. В/лк-с.

Интегральная чувствительность — чувствительность к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава. Измеряется в А/лм.

Спектральная чувствительность — зависимость чувствительности от длины волны излучения.

Обнаружительная способность — величина обратная величние минимального потока излучения, который вызывает на выходе сигнал, равный собственному шуму. Она обратно пропорциональна квадратному корню из площади примёмника излучения. Измеряется в 1/Вт.

Удельная обнаружительная способность — Обнаружительная способность умноженная на корень квадратный из произведения полосы частот в 1 Гц и площадь в 1 см². Измеряется в см*Гц^1/2/Вт.

Время отклика — время, необходимое для установления сигнала на выходе, соответствующего входному воздействию. Измеряется в миллисекундах.

Рабочая температура — максимальная температура сенсора и окружающей среды, при которой сенсор имеет возможность правильно выполнять свои функции. Измеряется в °C.

Параметр	Фотонный детектор	Тепловой детектор
Чувствительность	Высокая	Низкая
Интегральная чувствительность	Средняя	Высокая
Спектральная чувствительность	Узкая и избирательная	Широкая и однородная
Время отклика	Малое	Значительное
Рабочая температура	Криогенная	Комнатная
Стоимость	Высокая	Низкая
Прочие требования	Система охлаждения	Затвор

Применение:

Космические системы наблюдения;
Система обнаружения стартов МБР;
В бесконтактных термометрах;
В датчиках движения;
В ИК спектрометрах;
В приборах ночного видения;
В головках самонаведения.

Инфракрасные светодиоды — виды, область применения, характеристики

Инфракрасный (ИК) излучающий диод представляет собой полупроводниковый прибор, рабочий спектр которого расположен в ближней области инфракрасного излучения: от 760 до 1400 нм. В интернете часто встречается термин «ИК светодиод», хотя свет, видимый человеческим глазом, он не излучает. То есть в рамках физической оптики этот термин неверен, в широком же смысле название применимо. Стоит отметить, что во время работы некоторых ИК излучающих диодов можно наблюдать слабое красное свечение, что объясняется размытостью спектральной характеристики на границе с видимым диапазоном.

Не стоит путать ИК светодиоды с лазерными диодами инфракрасного излучения. Принцип действия и технические параметры этих приборов сильно отличаются.

Область применения

На том, какими бывают инфракрасные светодиоды и где применяются, остановимся подробнее. Многие из нас ежедневно сталкиваются с ними, не подозревая об этом. Конечно же, речь идёт о пультах дистанционного управления (ПДУ), одним из важнейших элементов которого является ИК излучающий диод. Благодаря своей надёжности и дешевизне метод передачи управляющего сигнала с помощью инфракрасного излучения получил огромное распространение в быту. Главным образом такие пульты применяются для управления работой телевизоров, кондиционеров, медиа проигрывателей. В момент нажатия кнопки на ПДУ ИК светодиод излучает модулированный (зашифрованный) сигнал, который принимает и затем распознаёт фотодиод, встроенный в корпус бытовой техники. В охранной сфере большой популярностью пользуются видеокамеры с инфракрасной подсветкой. Видеонаблюдение, дополненное ИК подсветкой, позволяет организовать круглосуточный контроль охраняемого объекта, независимо от погодных условий. В данном случае ИК светодиоды могут быть встроены в видеокамеру либо установлены в её рабочей зоне в виде отдельного прибора – инфракрасного прожектора. Применение в прожекторах мощных ИК светодиодов позволяет осуществлять надёжный контроль прилегающей территории.

На этом их сфера применения не ограничивается. Весьма эффективным оказалось применение ИК излучающих диодов в приборах ночного видения (ПНВ), где они выполняют функцию подсветки. С помощью такого прибора человек может различать предметы на достаточно большом расстоянии в тёмное время суток. Устройства ночного видения востребованы в военной сфере, а также для скрытого ночного наблюдения.

Разновидности ИК излучающих диодов

Ассортимент светодиодов работающих в инфракрасном спектре насчитывает десятки позиций. Каждому отдельному экземпляру присущи определённые особенности. Но в целом, все полупроводниковые диоды ИК диапазона можно разделить по следующим критериям:

мощности излучения или максимальному прямому току;
назначению;
форм-фактору.

Слаботочные ИК светодиоды предназначены для работы на токах не более 50 мА и характеризуются мощностью излучения до 100 мВт. Импортные образцы изготавливаются в овальном корпусе 3 и 5 мм, который в точности повторяет размеры обычного двухвыводного индикаторного светодиода. Цвет линзы – от прозрачного (water clear) до полупрозрачного голубого или жёлтого оттенка. ИК излучающие диоды российского производства до сих пор производят в миниатюрном корпусе: 3Л107А, АЛ118А. Приборы большой мощности выпускают как в DIP корпусе, так и по технологии smd. Например, SFh5715S от Osram в smd корпусе.

Технические характеристики

На электрических схемах ИК излучающие диоды обозначают так же, как и светодиоды, с которыми они имеют много общего. Рассмотрим их основные технические характеристики.

Рабочая длина волны – основной параметр любого светодиода, в том числе инфракрасного. В паспорте на прибор указывается её значение в нм, при котором достигается наибольшая амплитуда излучения.

Так как ИК светодиод не может работать только на одной длине волны, принято указывать ширину спектра излучения, которая свидетельствует об имеющемся отклонении от заявленной длины волны (частоты). Чем уже диапазон излучения, тем больше мощности сконцентрировано на рабочей частоте.

Номинальный прямой ток – постоянный ток, при котором гарантирована заявленная мощность излучения. Он же является максимально допустимым током.

Максимальный импульсный ток – ток, который можно пропускать через прибор с коэффициентом заполнения не более 10%. Его значение может в десять раз превышать постоянный прямой ток.

Прямое напряжение – падение напряжения на приборе в открытом состоянии при протекании номинального тока. Для ИК диодов его значение не превышает 2В и зависит от химического состава кристалла. Например, UПР АЛ118А=1,7В, UПР L-53F3BT=1,2В.

Обратное напряжение – максимальное напряжение обратной полярности, которое может быть приложено к p-n-переходу. Существуют экземпляры с обратным напряжением не более 1В.

ИК излучающие диоды одной серии могут выпускаться с разным углом рассеивания, что отображается в их маркировке. Необходимость в однотипных приборах с узким (15°) и широким (70°) углом распределения потока излучения вызвана их различной сферой применения.

Кроме основных характеристик, существует ряд дополнительных параметров, на которые следует обращать внимание при проектировании схем для работы в импульсном режиме, а также в условиях окружающей среды, отличных от нормальных. Перед проведением паяльных работ следует ознакомиться с рекомендациями производителя о соблюдении температурного режима во время пайки. О допустимых временных и температурных интервалах можно узнать из datasheet на инфракрасный светодиод.

TEFD4300 и TEFD4300F – высокоскоростные PIN фотодиоды от VISHAY

29 марта 2013

Компания Vishay Intertechnology расширила линейку оптоэлектронных устройств, представив новые высокоскоростные кремниевые PIN фотодиоды с высокой чувствительностью и малым временем переключения в двух вариантах пластиковых корпусов с линзой 3мм. Новые фотодиоды TEFD4300 и TEFD4300F позволяют получить большой обратный фототок – 17 мкА при угле половинной чувствительности ± 20°.

Новые приборы оптимизированы для применения в устройствах передачи данных, фотопрерывательных датчиках, оптических выключателях, энкодерах и различных датчиках положения в системах измерения. Специально для инфракрасного (ИК) и видимого источника излучения, фотодиод TEFD4300 выполнен в прозрачном корпусе с чувствительностью в диапазоне от 350 до 1120 нм. Версия TEFD4300F создана только для инфракрасного излучения в диапазоне волны от 770 до 1070 нм, для чего выполнена в непрозрачном черном корпусе с фильтром видимого спектра света.

Фотодиоды TEFD4300 и TEFD4300F имеют очень быстрое время переключения – всего 10 нс при низкой резистивной нагрузке, низкий температурный коэффициент фототока – всего 0.1%/К и максимальную чувствительность в области длины волны 950 нм. Диапазон рабочих температур новых фотодиодов составляет от -40 до +100°C. Новые фотодиоды соответствуют «зеленой» экологической характеристике компании Vishay.

Основные характеристики

Быстрое время переключения 10 нс;
Линзы диаметром 3 мм;
Высокий обратный фототок от 17 мкА;
Угол половинной чувствительности ± 20°;
Диапазон рабочих температур от −40…100°C;
Максимальная чувствительность на 950 нм;
RoHS-совместимы;

Технические характеристики представлены в таблице:

Наименование	TEFD4300	TEFD4300F
Спектр	350 — 1120 нм	770 — 1070 нм
Корпус	Прозрачный T1 пластик	Черный T1 пластик
Обратный фототок	17 мкА	17 мкА
Пиковая чувствительность	950 нм	950 нм
Фильтр дневного света	нет	да

Образцы TEFD4300 и TEFD4300F доступны со склада Компэл. Заказать образцы.

•••

Наши информационные каналы

О компании Vishay

VISHAY Компания Vishay Intertechnology Inc. (Vishay) основана в 1962 году в США выходцем из Литвы, инженером Феликсом Зандманом, переехавшим в Америку из Европы в 1952 году, и его родственником и компаньоном Альфредом Сланером. На момент основания Vishay Зандман работал в компании Budd, где развивал собственную методику измерения деформаций – метод фотостресса, а также пробовал разрабатывать прецизионный фольговый резистор на стеклянной (а не керамической) основе. Последний не заинтересовал ру …читать далее

Поиск по параметрам

Фотодиоды

2 Основы ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных детекторов | Видение фотонов: развитие и ограничения массивов датчиков видимого и инфракрасного диапазона

Коротковолновый инфракрасный

Технология детекторов

InGaAs довольно хорошо развита в результате ее преобладающего использования в волоконно-оптических телекоммуникациях в диапазоне от ~ 1,3 до 1,7 мкм. Изменяя состав, можно увеличить ширину запрещенной зоны до 2,6 мкм.

Средне-, длинноволновое и очень длинноволновое инфракрасное излучение

Краткая история обнаружения инфракрасного излучения

Сульфид таллия и сульфид свинца (или галенит) были одними из первых материалов для обнаружения инфракрасного излучения, разработанных в 1930-х годах.Многие другие материалы были исследованы для применения в инфракрасном обнаружении. Свинцово-солевые детекторы являются поликристаллическими и производятся с использованием вакуумного испарения и процесса химического осаждения из раствора с последующей сенсибилизацией после роста. ⁶⁸ Воспроизводимость исторически была плохой, но четко определена, хотя в конечном итоге были найдены несколько эмпирических рецептов.

Значительное улучшение производства детекторов произошло с открытием транзистора, который стимулировал рост и методы очистки материала.Это привело к новым методам изготовления детекторов из монокристаллов.

Высокопроизводительные детекторы изначально были основаны на использовании германия с введением контролируемых примесей. Разработка высокопроизводительных детекторов видимого и ближнего инфракрасного диапазона на основе кремния началась в 1970-х годах после изобретения ПЗС-матрицы. Это привело к разработке сложных схем считывания, которые позволили как обнаружение, так и считывание происходить на одном общем кремниевом кристалле.

В 1950-х годах проводились обширные исследования полупроводников AIIIBV.В результате своей малой ширины запрещенной зоны (5 мкм при 77 К) InSb показал себя многообещающим в качестве материала для обнаружения MWIR, и действительно, значительно улучшенные матрицы InSb FPA остаются основой охлаждаемой MWIR-визуализации.

Вскоре после этого, в 1959 году, было обнаружено, что HgCdTe (теллурид кадмия ртути, или MCT) проявляет полупроводниковые свойства в большей части своего диапазона составов. Ширина запрещенной зоны сплава варьировалась от 0,0 до 1,605 эВ. Позже длинноволновая фотопроводимость была продемонстрирована в HgCdTe, что положило начало развитию инфракрасных детекторов.

В середине 1960-х годов произошел сдвиг в сторону использования сплава PbSnTe из-за проблем с производством и хранением, связанных с HgCdTe. Однако ограничения в скорости срабатывания детекторов PbSnTe и лучшая пригодность HgCdTe для

фотодиодов | Хамамацу Фотоникс

Этот веб-сайт или его сторонние инструменты используют файлы cookie, которые необходимы для его функционирования и необходимы для достижения целей, проиллюстрированных в этой политике использования файлов cookie.Закрыв баннер с предупреждением о файлах cookie, прокручивая страницу, щелкая ссылку или продолжая просмотр иным образом, вы соглашаетесь на использование файлов cookie.

Hamamatsu использует файлы cookie, чтобы сделать ваше пребывание на нашем веб-сайте более удобным и обеспечить его функционирование.

Вы можете посетить эту страницу в любое время, чтобы узнать больше о файлах cookie, получить самую последнюю информацию о том, как мы используем файлы cookie, и управлять настройками файлов cookie. Мы не будем использовать файлы cookie для каких-либо целей, кроме указанных, но обратите внимание, что мы оставляем за собой право обновлять наши файлы cookie.

Чтобы современные веб-сайты работали в соответствии с ожиданиями посетителей, им необходимо собрать определенную базовую информацию о посетителях. Для этого сайт создает небольшие текстовые файлы, которые размещаются на устройствах посетителей (компьютерных или мобильных) — эти файлы известны как файлы cookie, когда вы заходите на сайт. Файлы cookie используются для обеспечения нормальной и эффективной работы веб-сайтов. Файлы cookie уникально назначаются каждому посетителю и могут быть прочитаны только веб-сервером в домене, который отправил файл cookie посетителю.Файлы cookie не могут использоваться для запуска программ или доставки вирусов на устройство посетителя.

Файлы cookie

выполняют различные функции, которые делают работу в Интернете более удобной и интерактивной. Например, файлы cookie используются для запоминания предпочтений посетителей на сайтах, которые они часто посещают, для запоминания языковых предпочтений и для более эффективной навигации между страницами. Большая часть, хотя и не все, собранные данные являются анонимными, хотя некоторые из них предназначены для выявления шаблонов просмотра и приблизительного географического местоположения, чтобы улучшить впечатления посетителей.

Для определенных типов файлов cookie может потребоваться согласие субъекта данных перед их сохранением на компьютере.

2. Какие бывают типы файлов cookie?

Этот веб-сайт использует два типа файлов cookie:

Основные файлы cookie. Для нашего веб-сайта основные файлы cookie контролируются и обслуживаются Hamamatsu. Никакие другие стороны не имеют доступа к этим файлам cookie.
Сторонние файлы cookie. Эти файлы cookie реализуются организациями за пределами Хамамацу. У нас нет доступа к данным в этих файлах cookie, но мы используем эти файлы cookie, чтобы улучшить общее впечатление от веб-сайта.

3. Как мы используем файлы cookie?

Этот веб-сайт использует файлы cookie для следующих целей:

Для работы нашего веб-сайта необходимы определенные файлы cookie. Это строго необходимые файлы cookie, которые необходимы для обеспечения доступа к веб-сайту, поддержки навигации или предоставления соответствующего контента.Эти файлы cookie направляют вас в правильную страну и поддерживают безопасность и электронную торговлю. Строго необходимые файлы cookie также обеспечивают соблюдение ваших настроек конфиденциальности. Без этих строго необходимых файлов cookie большая часть нашего веб-сайта не будет работать.
Аналитические файлы cookie используются для отслеживания использования веб-сайта. Эти данные позволяют нам улучшить удобство использования, производительность и администрирование нашего веб-сайта. В наших аналитических файлах cookie мы не храним никакой личной идентифицирующей информации.
Функциональные файлы cookie.Они используются, чтобы узнать вас, когда вы вернетесь на наш сайт. Это позволяет нам персонализировать наш контент для вас, приветствовать вас по имени и запоминать ваши предпочтения (например, ваш выбор языка или региона).
Эти файлы cookie записывают ваше посещение нашего веб-сайта, страницы, которые вы посетили, и ссылки, по которым вы переходили. Мы будем использовать эту информацию, чтобы наш веб-сайт и отображаемая на нем реклама соответствовали вашим интересам. Мы также можем передавать эту информацию третьим лицам с этой целью.

Файлы cookie помогают нам помочь вам. С помощью файлов cookie мы узнаем, что важно для наших посетителей, а также разрабатываем и улучшаем контент и функции веб-сайта, чтобы обеспечить вам удобство использования. Доступ к большей части нашего веб-сайта можно получить, если файлы cookie отключены, однако некоторые функции веб-сайта могут не работать. И мы считаем, что ваши текущие и будущие посещения будут улучшены, если будут включены файлы cookie.

4. Какие файлы cookie мы используем?

Есть два способа управлять настройками файлов cookie.

Вы можете установить настройки файлов cookie на своем устройстве или в браузере.
Вы можете установить свои предпочтения в отношении файлов cookie на уровне веб-сайта.

Если вы не хотите получать файлы cookie, вы можете изменить свой браузер так, чтобы он уведомлял вас об отправке файлов cookie, или вы можете полностью отказаться от файлов cookie. Вы также можете удалить уже установленные файлы cookie.

Если вы хотите ограничить или заблокировать файлы cookie веб-браузера, установленные на вашем устройстве, вы можете сделать это в настройках своего браузера; функция справки в вашем браузере должна подсказать вам, как это сделать.Кроме того, вы можете посетить сайт www.aboutcookies.org, который содержит исчерпывающую информацию о том, как это сделать в самых разных браузерах для настольных компьютеров.

5. Что такое Интернет-теги и как мы используем их с файлами cookie?

Иногда мы можем использовать интернет-теги (также известные как теги действий, однопиксельные GIF-файлы, прозрачные GIF-файлы, невидимые GIF-файлы и GIF-файлы размером 1 на 1) на этом сайте и можем развертывать эти теги / файлы cookie через стороннего рекламного партнера. или партнер по веб-аналитике, который может находиться и хранить соответствующую информацию (включая ваш IP-адрес) в другой стране.Эти теги / файлы cookie размещаются как в онлайн-рекламе, которая приводит пользователей на этот сайт, так и на разных страницах этого сайта. Мы используем эту технологию для измерения откликов посетителей на наши сайты и эффективности наших рекламных кампаний (в том числе, сколько раз открывается страница и с какой информацией обращаются), а также для оценки использования вами этого веб-сайта. Сторонний партнер или партнер службы веб-аналитики может собирать данные о посетителях нашего и других сайтов с помощью этих интернет-тегов / файлов cookie, может составлять для нас отчеты о деятельности веб-сайта и может предоставлять дополнительные услуги, связанные с использование веб-сайта и Интернета.Они могут предоставлять такую информацию другим сторонам, если это требуется по закону или если они нанимают другие стороны для обработки информации от их имени.

Если вы хотите получить дополнительную информацию о веб-тегах и файлах cookie, связанных с онлайн-рекламой, или отказаться от сбора этой информации третьими сторонами, посетите веб-сайт Network Advertising Initiative http://www.networkadvertising.org.

6. Аналитические и рекламные файлы cookie

Мы используем сторонние файлы cookie (например, Google Analytics) для отслеживания посетителей нашего веб-сайта, получения отчетов о том, как посетители используют веб-сайт, а также для информирования, оптимизации и показа рекламы на основе чьих-либо прошлых посещений нашего веб-сайта.

Вы можете отказаться от файлов cookie Google Analytics на веб-сайтах, предоставленных Google:

https://tools.google.com/dlpage/gaoptout?hl=en

Как предусмотрено в настоящей Политике конфиденциальности (статья 5), вы можете узнать больше о файлах cookie отказа на веб-сайте Network Advertising Initiative:

http://www.networkadvertising.org

Сообщаем вам, что в этом случае вы не сможете полностью использовать все функции нашего веб-сайта.

Фотодиоды — обзор | Темы ScienceDirect

Принцип фотодиода

Фотодиод — это светочувствительный элемент на основе полупроводника, генерирующий ток, пропорциональный освещенности P – N перехода (см. Рисунок 5).

Рисунок 5. Принцип работы фотодиода.

Материалы N-типа представляют собой внутренние трехмерные (3D) кристаллы кремния или германия, подвергнутые контролируемой очистке химическими элементами из столбца Va периодической таблицы (например, мышьяком или фосфором), которые ведут себя как полупроводник из-за доступности несвязанных электронов, принадлежащих атомам легирующего элемента.

Материалы P-типа представляют собой внутренние трехмерные кристаллы кремния или германия, подвергнутые контролируемой очистке химическими элементами из столбца IIIa периодической таблицы (например,например, бор или алюминий), ведя себя как полупроводник из-за наличия дырок, индуцированных атомами легирующего элемента.

В полупроводниках энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости относительно мала. В полупроводниках N-типа уровень Ферми (определяемый как самый высокий уровень энергии в кристалле, населенный электронами при температуре абсолютного нуля) расположен ближе к зоне проводимости, чем в полупроводниках P-типа. Несвязанные электроны при более высоких уровнях легирования легко выталкиваются в зону проводимости с небольшой передачей энергии.В полупроводниках P-типа уровень Ферми расположен близко к валентной зоне. Поглощение внешней энергии приводит к переносу электрона на уровень Ферми, оставляя дырки в валентной зоне. Кроме того, энергия, передаваемая от внешних источников, толкает электроны в дырку, образуя другие дырки. Связанное состояние электрона воспроизводится в новом месте, создавая впечатление дырки, движущейся в противоположном направлении.

В P – N-переходе, созданном в одиночном кристалле кремния или германия, уровень Ферми уникален.Из-за легирования зоны проводимости и валентные зоны имеют разные энергии по всему кристаллу, как видно из рисунка 5. Нейтральная переходная область внутри P-N-перехода называется обедненным слоем. Когда свет низкой энергии попадает на фотодиод, несвязанные электроны в N-слое продвигаются в зону проводимости, а связанные электроны в P-слое выталкиваются на уровень Ферми. Когда свет с более высокой энергией попадает на фотодиод, электроны с уровня Ферми в N-слое продвигаются в зону проводимости, а валентные электроны в N-слое вытесняются через уровень Ферми.Таким образом, кристалл становится поляризованным из-за концентрации электронов в зоне проводимости через N-слой и концентрации дырок в валентной зоне через P-слой. В обедненном слое электрическое поле ускоряет электроны к N-слою и дырки к P-слою, в результате чего положительный заряд собирается на аноде, а отрицательный — на катоде фотодиода.

Контроль толщины слоев P, N и обеднения, а также профиля концентрации легирующих элементов через слой обеднения, светочувствительность ( S ) и квантовая эффективность (QE) контролируются.Светочувствительность представляет собой соотношение между энергией падающего луча, падающего на фотодиод (выраженная в ваттах), и результирующим фототоком (выраженным в амперах). QE — это светочувствительность фотодиода, измеренная на определенной длине волны. Можно также определить спектральный отклик фотодиода как уровень фототока, генерируемый при идентичной интенсивности падающего света для указанных длин волн.

Однако небольшой ток генерируется через фотодиод в темноте, когда применяется обратное напряжение.Этот результирующий ток известен как темновой ток.

Если заряженный конденсатор подключен параллельно фотодиоду, электроны будут уходить из N-слоя в анод конденсатора, а электроны из конденсатора будут компенсировать избыток дырок в P-слое. Как следствие, конденсатор разряжается. Разряд конденсатора через фотодиод будет пропорционален интенсивности света, вызывающей поляризацию перехода слоя N – P (рис. 6).

Рисунок 6.Принцип работы элемента фотодиодной матрицы.

Если параллельная цепь фотодиода и конденсатора электронным образом переключается между источником постоянного тока и устройством измерения тока с заданной частотой, можно контролировать интенсивность света, падающего на анод. На первом этапе источник постоянного тока заряжает конденсатор. Если анод светится, диод переключается в режим проводимости и разряжает конденсатор. Разряд конденсатора пропорционален силе света.Когда твердотельный электронный переключатель смещается в контуре измерительного устройства, измеряется остаточный ток на конденсаторе.

Другой альтернативой является регулярная зарядка конденсатора до определенного уровня. Таким образом, измеряется величина тока, необходимого для перезарядки конденсатора, она пропорциональна интенсивности света, падающего на диод.

Диодная матрица состоит из ряда параллельных схем фотодиода / конденсатора, расположенных бок о бок на кремниевом кристалле.Каждая такая схема подключена через свой собственный твердотельный переключатель, управляемый регистром сдвига, с общей выходной линией. Регистр сдвига управляется кварцевым генератором (таймером). Цикл считывания, соответствующий времени освещения, находится в диапазоне 100 мс. Принципиальная схема диодной матрицы приведена на рисунке 7.

Рисунок 7. Принципиальная схема фотодиодной матрицы.

Двухрежимные органические фотодетекторы ближнего инфракрасного и видимого света

Abstract

Мы сообщаем о двухрежимном органическом фотодетекторе (OPD), который имеет конфигурацию трехслойного поглотителя видимого света / оптического разделителя / поглотителя света ближнего инфракрасного диапазона (NIR).В присутствии света ближнего инфракрасного диапазона фототок создается в светопоглощающем слое ближнего инфракрасного диапазона из-за инжекции заряда с помощью ловушек на границе раздела органических веществ и катода при обратном смещении. В присутствии видимого света фототок создается в слое, поглощающем видимый свет, благодаря инжекции заряда с помощью ловушки на границе анод / органическое вещество при прямом смещении. Высокая чувствительность> 10 А / Вт достигается как на коротких, так и на длинных волнах. Двухрежимный OPD демонстрирует световой отклик в ближнем ИК-диапазоне, работающий при обратном смещении, и отклик в видимом свете, работающий при прямом смещении, с высокой удельной детектирующей способностью ~ 10 ¹³ Джонса как в ближнем ИК, так и в видимом диапазонах света.Спектральный отклик OPD с переключаемым смещением предлагает привлекательный вариант для приложений обнаружения загрязнения окружающей среды, процесса биоизображения, состояния здоровья и мониторинга безопасности в двух различных диапазонах.

ВВЕДЕНИЕ

Органические фотодетекторы (OPD) представляют собой многообещающую технологию оптического обнаружения, альтернативную традиционным неорганическим аналогам, поскольку оптические и электрические свойства органических полупроводниковых материалов могут быть адаптированы соответствующим образом ( 1 ). Они предлагают дополнительные преимущества, такие как наличие технологического процесса изготовления, который также приводит к существенной рентабельности, тем самым создавая технологичные, гибкие и недорогие фотодетекторы следующего поколения ( 2 ).Обычно спектральные характеристики фотодетекторов определяются поглощением активных материалов и оптическим профилем в устройствах ( 3 ). Сообщалось о дискретных OPD, использующих органические полупроводники с разной оптической шириной запрещенной зоны для обнаружения рентгеновского и ультрафиолетового (УФ), видимого и ближнего инфракрасного (NIR) света ( 4 — 6 ). Недавно было продемонстрировано высокоэффективное гибридное устройство из органического / перовскитного света с повышающим преобразованием из ближнего инфракрасного диапазона в видимый свет, состоящее из блока NIR OPD и перовскитового светоизлучающего излучателя, для визуализации света в ближнем инфракрасном диапазоне ( 6 ) .OPD с различными спектральными характеристиками могут быть реализованы с использованием различных подходов, таких как оптический микрополость ( 7 ), сужение накопления заряда (CCN) ( 8 — 10 ) и поглощение межмолекулярного переноса заряда ( 11 ). OPD без фильтра с узкополосным фотоответом в четко определенном диапазоне длин волн были получены путем включения толстого светопоглощающего слоя, реализующего видимые узкополосные OPD с полной шириной на полувысоте ~ 30 нм ( 12 ).Узкополосные OPD в ближнем инфракрасном диапазоне были продемонстрированы с использованием эффекта микрополости и увеличения поглощения межмолекулярного переноса заряда в органических полупроводниках ( 13 ). Эти достижения, однако, достигаются с помощью одномодовых OPD, оптимизированных для фотодетектирования на определенных длинах волн. Прогресс, достигнутый в двухрежимных или многомодовых OPD, которые имеют одновременный фотоотклик на разные диапазоны длин волн, менее впечатляет.

Реализация спектрально настраиваемых OPD с высокой обнаруживающей способностью в двух различных диапазонах, особенно в диапазоне длин волн от ближнего инфракрасного и видимого света, очень привлекательна для множества применений в обнаружении загрязнения окружающей среды, процессах биовизуализации, благополучии, мониторинге безопасности и т. Д.Однако сообщения о спектрально настраиваемых OPD довольно редки. УФ-OPD с заметной разницей в пиковых спектральных характеристиках, расположенных на 365 и 330 нм, наблюдался, когда его прозрачный анод из оксида индия и олова (ITO) и полупрозрачный катод Al (15 нм) / Ag (100 нм) подвергались воздействию падающего света ( 4 ) из-за соответствующих поглощений донора и акцептора в плоском гетеропереходе донор / акцептор. Различные спектральные отклики, например, показывающие широкополосные и узкополосные характеристики из-за эффекта CCN, также наблюдались в толстом перовскитном фотоприемнике, когда его верхняя или нижняя сторона подвергалась воздействию падающего света ( 14 ).Практический интерес представляют спектрально настраиваемые OPD, которые могут работать без переворачивания детекторов.

Эффект фотоумножения (PM) был продемонстрирован в OPD с бинарным гетеропереходным слоем, имеющим массовое отношение поли (3-гексилтиофен-2,5-диил) (P3HT) к [6,6] -фенил-C70 масляной кислоте. метиловый эфир (PC ₇₀ BM) 100: 1 ( 15 , 16 ). Показано, что электронные ловушки, образованные из-за присутствия очень небольшого количества PC ₇₀ BM в активном слое бинарной смеси P3HT: PC ₇₀ BM, способствуют усилению инжекции дырок в OPD, что приводит к высокой внешний квантовый выход (EQE) более 100% ( 17 ).Поведение спектрального отклика в PM OPD можно контролировать, регулируя свойства инжекции заряда через эффект туннелирования носителей на границах раздела анод / органический и органический / катод ( 18 , 19 ). Эти OPD, имеющие разные спектральные характеристики, настраиваясь от узкополосного к широкополосному в четко определенных спектральных диапазонах, были получены путем модуляции приложенного смещения. Двухрежимные OPD с уникальной настраиваемой способностью фотодетектирования, особенно в ближнем ИК-диапазоне и диапазонах длин волн видимого света, которыми можно управлять, регулируя полярность смещений, все еще остаются открытой проблемой.

В этой работе мы сообщаем о наших усилиях по разработке двухрежимного OPD, который имеет световой отклик в ближнем ИК-диапазоне, работающий при обратном смещении, и световой отклик в видимом диапазоне, работающий при прямом смещении. Спектральный отклик OPD с переключаемым смещением имеет конфигурацию слоев, состоящую из ITO / полиэлектролита, поли [(9,9-бис (3 ‘- (( N , N -диметил) — N -этиламмоний) -пропил) -2,7-флуорен) -альт-2,7-9,9-диоктилфлуорен)] дибромид (PFN-Br) / бинарная смесь P3HT: PC ₇₀ BM поглотитель видимого света / чистый оптический разделитель P3HT / тройная смесь P3HT: поли [4,8-бис (5- (2-этилгексил) тиофен-2-ил) бензо [1,2-b; 4,5-b ‘] дитиофен-2,6-диил-альт- (4- ( 2-этилгексил) -3-фтортиено [3,4-b] тиофен -) — 2-карбоксилат-2-6-диил)] (PTB7-Th): PC ₇₀ BM Поглотитель света NIR / алюминий (Al).Это первый тип двухрежимного OPD, который может работать как в обратном, так и в прямом смещении для достижения высокого фотоотклика в ближнем ИК-диапазоне и диапазонах длин волн видимого света.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Двухрежимный OPD

Перед исследованием двухрежимного OPD, поведение спектрального отклика PM OPD с бинарной смесью P3HT: PC ₇₀ Одноактивный слой BM, имеющий весовое отношение Были проанализированы P3HT на PC ₇₀ BM 100: 1, работающие при обратном смещении и прямом смещении.Распределение низкой концентрации PC ₇₀ BM формирует индуцированные PC ₇₀ BM электронные ловушки в бинарной смеси P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) в активном слое в PM OPD. PM OPD имеет конфигурацию слоев, включающую ITO / PFN-Br / P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) (300 нм) / Al. PM OPD с активным слоем P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) толщиной 300 нм имеет EQE 700%, работающий при обратном смещении -6 В, и EQE 3600% был получен для PM OPD работал при прямом смещении 6 В, как показано на рис.1 (А и В). При обратном смещении PM OPD реагирует только на коротковолновый свет (с максимальной чувствительностью около 380 нм) и на длинноволновый свет (с максимальной длиной волны около 620 нм), как показано на рис. 1A. Однако при прямом смещении PM OPD имеет широкополосный отклик в диапазоне длин волн от 300 до 650 нм. Такой зависящий от полярности смещения спектральный отклик PM OPD тесно связан с различием в зависящем от длины волны поглощении света в PM OPD.

Инжир.1 P3HT: PC ₇₀ PM OPD на основе BM (100: 1). Спектры EQE

, измеренные для PM OPD при ( A ) обратном смещении −6 В и ( B ) прямом смещении 6 В. ( C ) Распределение фотогенерированных электронов в слое толщиной 300 нм. P3HT: PC ₇₀ PM OPD на основе BM (100: 1). Вставка в (A) иллюстрирует существование процесса изгиба полосы и инжекции туннельных отверстий на границе раздела органика / катод в OPD, работающем при обратном смещении. Вставка на (B) иллюстрирует наличие процесса изгиба полосы и инжекции туннельного отверстия на границе анод / органическое вещество в OPD, работающем при прямом смещении.

Глубинный профиль зависящего от длины волны поглощения света в PM OPD на основе P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) показан на рис. 1C. Он показывает, что падающий свет с широким диапазоном длин волн от 300 до 650 нм поглощается вблизи поверхности анод / органическое вещество, в то время как относительно более сильное поглощение в коротковолновом и длинноволновом диапазонах появляется вблизи границы раздела органических веществ / катода. в PM OPD. Вставка на рис. 1A иллюстрирует наличие изгиба полосы, вызванного накоплением фотогенерированных электронов из-за поглощения коротковолновых и длинноволновых фотонов вблизи границы раздела органических веществ и катода.Следовательно, процесс инжекции туннельного отверстия происходит на границе органического вещества / катода в OPD, когда он работает при обратном смещении. Вставка на рис. 1B иллюстрирует наличие изгиба полосы вблизи границы раздела анод / органическое вещество, вызванного накоплением фотогенерированных электронов из-за поглощения широкополосных фотонов. Это приводит к тому, что процесс инжекции через туннельное отверстие происходит на границе раздела анод / органическое вещество в OPD, когда он работает при прямом смещении. Анализ, проведенный с профилем распределения оптического поглощения по глубине на рис.1C хорошо согласуется со спектрами EQE, измеренными для PM OPD при обратном и прямом смещении, как показано на рис. 1 (A и B). Подобный спектральный отклик, зависящий от полярности смещения, также наблюдается в PM OPD с тройной смесью толщиной 2,0 мкм P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM с одноактивным слоем, имеющим весовое отношение P3HT к PTB7-Th к PC ₇₀ BM 70: 30: 1, работает при обратном и прямом смещении, как показано на рис. S1.

Был продемонстрирован высокопроизводительный двухрежимный OPD с уникальной характеристикой высокого светового отклика в ближнем ИК-диапазоне, работающий при обратном смещении, и отклик в видимом свете, работающий при прямом смещении.Двухрежимный OPD, например, с конфигурацией слоев, состоящей из ITO / PFN-Br / P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) (слой, поглощающий видимый свет) / P3HT (оптический разделитель) / P3HT: PTB7-Th : PC ₇₀ BM (70: 30: 1) (светопоглощающий слой в ближнем ИК-диапазоне) / Al, обладает уникальной функцией светового отклика в ближнем ИК-диапазоне в диапазоне длин волн от 630 до 800 нм, работает с обратным смещением и видимым светом. отклик в диапазоне длин волн от 310 до 650 нм при прямом смещении. Поперечный разрез двухрежимного OPD с трехслойной конфигурацией активного слоя из P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) (300 нм) поглотитель видимого света / оптическая прокладка P3HT (320 нм) / P3HT: PTB7- Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) (500 нм) Поглотитель света в ближнем ИК-диапазоне показан на вставке к рис.2А. Нормализованные спектры поглощения, измеренные для слоя бинарной смеси P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) толщиной 300 нм, исходного слоя P3HT толщиной 320 нм и тройной смеси P3HT: PTB7 толщиной 500 нм -Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) нанесены на график на рис. 2A. По сравнению со спектрами поглощения, измеренными для слоев исходного P3HT и бинарной смеси P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1), очевидно, что тройная смесь P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70:30: 1) пленка имеет очевидное расширенное поглощение в ближнем ИК-диапазоне в диапазоне длин волн от 650 до 800 нм.Спектры поглощения, рассчитанные для бинарной смеси толщиной 300 нм P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1), поглощающий видимый свет слой, чистый оптический спейсер P3HT толщиной 320 нм и тройной элемент толщиной 500 нм blend P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) NIR-светопоглощающий слой в OPD показаны на рис. 2B. Схематическая диаграмма уровней энергии соответствующих функциональных материалов, используемых в двухрежимных OPD, показана на рис. S2.

Рис. 2 Конфигурация устройства и распределение поглощения.

( A ) Нормализованные спектры поглощения, измеренные для слоя бинарной смеси P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1), чистого слоя P3HT и тройной смеси P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70 : 30: 1) слой. Вставка: схематическая диаграмма, иллюстрирующая вид в разрезе OPD, имеющего конфигурацию слоев, включающую ITO / PFN-Br / P3HT: PC ₇₀ BM (300 нм) / P3HT (320 нм) / P3HT: PTB7-Th: PC. ₇₀ BM (500 нм) / Al. а.е., условная единица. ( B ) Спектры поглощения, рассчитанные для бинарной смеси P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) толщиной 300 нм, исходного P3HT толщиной 320 нм и тройной смеси P3HT: PTB7- толщиной 500 нм Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) слоев.

Распределение оптического поля и профиль распределения генерации заряда в двухрежимном OPD с конфигурацией слоев, состоящей из ITO / PFN-Br / P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) (300 нм) / P3HT (320 нм) / P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) (500 нм) / Al (100 нм) рассчитывали с использованием анализа оптической проводимости ( 20 , 21 ). Распределение оптического поля в бинарной смеси P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) (300 нм) видимый светопоглощающий слой, чистый оптический разделитель P3HT (320 нм) и тройная смесь P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) (500 нм) NIR-светопоглощающий слой в двухмодовом OPD в зависимости от длины волны показан на рис.3A, демонстрирующий профиль зависящей от длины волны интенсивности света в OPD. Рисунок 3A показывает, что падающий свет с длиной волны> 650 нм может поглощаться только слоем тройной смеси P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) толщиной 500 нм в OPD. Нормализованное распределение фотогенерированных носителей заряда в видимом светопоглощающем слое P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1), чистом оптическом спейсере P3HT и P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70:30: 1) Светопоглощающий слой в ближнем ИК-диапазоне в зависимости от длины волны показан на рис.3Б. Становится ясно, что падающий свет с длинами волн короче 650 нм в основном поглощается бинарным слоем смеси P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) толщиной 300 нм. Чистый слой P3HT толщиной 320 нм действует как оптический разделитель для истощения видимого света, который не полностью поглощается бинарным слоем P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1), позволяя длинноволновому свету достигать слой тройной смеси P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1). Распределение оптического поля и профиль фотогенерированных носителей заряда, рассчитанные для OPD на двух разных длинах волн 460 и 770 нм, показаны на рис.3 (C и D). Очевидно, что фотоносители заряда, генерируемые светом с длиной волны 460 нм, в основном удерживаются в бинарном слое P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1), поглощающем видимый свет, толщиной 300 нм. Коротковолновый свет (460 нм) полностью истощается чистым оптическим разделительным слоем P3HT толщиной 320 нм. Результаты моделирования показывают, что ближний ИК-свет, например, с длиной волны 770 нм, проникает через бинарную смесь P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1), поглощающий видимый свет слой и оптическую прокладку P3HT для генерации фотоносителей заряда. в тройной смеси толщиной 500 нм P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) БИК светопоглощающий слой.

Рис. 3 Оптическое моделирование.

( A ) Моделированное распределение оптического поля и ( B ) нормированное распределение фотогенерированных электронов в бинарной смеси толщиной 300 нм P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) слой, поглощающий видимый свет, 320- чистый оптический разделительный слой P3HT толщиной 500 нм и тройная смесь P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) NIR-светопоглощающий слой в двухмодовом OPD. ( C ) Распределение оптического поля и ( D ) профиль фотогенерированных носителей заряда, рассчитанные для двухмодового OPD на двух разных длинах волн 460 и 770 нм.

Двухрежимные фотоотклики в ближнем ИК-диапазоне и видимом свете

Вольт-амперные характеристики ( I — В ) двухрежимного OPD в присутствии ближнего ИК-света (770 нм), измеренные путем сканирования от −35 до 15 В показаны на рис. 4А. I — V Характеристики двухмодового OPD в видимом свете (460 нм), измеренные путем сканирования от 15 до -35 В, показаны на рис. 4B. На фиг. 4A значительный фототок был получен для OPD с обратным смещением в присутствии света NIR.Плотность фототока ОПР увеличивается при обратном смещении. Спектральный отклик OPD с переключаемым смещением оставался почти постоянной плотностью тока, когда он работал с различными прямыми смещениями (в режиме обнаружения видимого света) в присутствии света ближней инфракрасной области. В присутствии видимого света сильные фотоотклики наблюдались для OPD, работающего при различных прямых смещениях, сохраняя аналогичную низкую плотность тока, когда OPD находился при разных обратных смещениях (в режиме обнаружения света NIR), как показано на Инжир.4Б. Демонстрируется двухрежимный OPD с уникальной характеристикой высокой световой характеристики в ближнем ИК-диапазоне, работающей при обратном смещении, и отклика в видимом свете, работающей при прямом смещении.

Рис. 4 Характеристики фотоотклика.

I — В Характеристики измерены для двухрежимного OPD в присутствии источников ( A ) ближнего ИК-света (770 нм) и ( B ) видимого света (460 нм). ( C ) Спектры чувствительности, измеренные для двухрежимного OPD в режиме обнаружения света в ближней инфракрасной области, работающего при двух различных обратных смещениях -35 и -40 В, и в режиме обнаружения видимого света при двух разных прямых смещениях 12 и 15 В.( D ) I — V Характеристики, измеренные для OPD в отсутствие света, усредненные по более чем семи измерениям. ( E ) Спектр импеданса OPD, показывающий шунтирующее сопротивление 23,4 МОм, измеренное при 10 В. ( F ) D * двухрежимного OPD, работающего в режимах обнаружения ближнего ИК-диапазона и видимого света.

Чувствительность (в A / W), измеренная для двухрежимного OPD, работающего в режиме ближнего ИК света (при различных обратных смещениях) и в режиме видимого света (при разных смещениях вперед), показаны на рис.4С. Можно видеть, что двухрежимный OPD имеет разные спектральные характеристики, когда он работает под прямым и обратным смещениями. Двухрежимный OPD реагирует в диапазоне длин волн от 310 до 650 нм, когда он работает с прямым смещением. Двухрежимный OPD реагирует в основном в диапазоне длин волн от 630 до 800 нм, работающем при обратном смещении. Благодаря эффекту PM, чувствительность 8,66 A / Вт была реализована для режима NIR OPD, работающего при -40 В. Пиковая чувствительность 7,47 A / W была получена для двухрежимного OPD в присутствии видимого диапазона. свет работал при прямом смещении 15 В.Спектры EQE, измеренные для двухрежимного OPD, работающего в режиме обнаружения света NIR, при различных обратных смещениях −30, −35 и −40 В, и в режиме обнаружения видимого света при прямых смещениях 9, 12 и 15 В, представлены на рис. S3 (А и В). Результаты на рис. S3 (A и B) показывают, что EQE 1643% был реализован для режима NIR OPD, работающего при -40 В, и EQE 2465% был получен для OPD, работающего при 15 В.

Удельная обнаруживающая способность ( D *) двухрежимного OPD, который тесно связан с EQE и шумовым током.Шумовой ток в OPD включает дробовой шум, тепловой шум, шум 1/ f и шум генерации-рекомбинации ( 22 ). В PM OPD ток шума зависит от дробового шума и теплового шума ( 23 ). Дробовой шум можно рассчитать с помощью следующего уравнения: ishot = 2eIdarkB (1), где B — нормализованная полоса пропускания. Воспроизводимость характеристик двухрежимного OPD была оценена путем непрерывного повторения измерений характеристик I — V более семи раз, и среднее значение результатов измерений показано на рис.4D, что свидетельствует о хорошей повторяемости и стабильности характеристик I — V . I _dark двухрежимного OPD составляет 7,39 × 10 ⁻⁸ А при 10 В, что соответствует снимку i примерно 1,54 × 10 ⁻¹³ A / Гц ^0,5 . Тепловой шум двухрежимного OPD связан с его шунтирующим сопротивлением, R _sh, и может быть выражен как термический шум = 4kTBRsh (2), где T — температура в кельвинах.Спектр импеданса, измеренный для OPD, показан на рис. 4E, показывая двухмодовый OPD, имеющий сопротивление шунта 23,4 МОм, измеренное при 10 В ( 22 ). При комнатной температуре, например, T = 298 K, тепловой шум OPD составляет 2,65 × 10 ⁻¹⁴ А / Гц ^0,5. Понятно, что дробовой шум примерно в шесть раз выше теплового. Следовательно, дробовой шум используется для расчета D * в качестве приближения с использованием следующего уравнения: D * = EQE⋅e⋅λhc⋅2e⋅Jdark (Jones) (3), где J _dark — плотность темнового тока. и c — скорость света.Зависимость D * от длины волны, полученная для двухрежимного OPD в режимах обнаружения ближнего ИК и видимого света, работающих при различных обратных и прямых смещениях, показана на фиг. 4F. Двухрежимный OPD с высоким значением D * ~ 10 ¹³ Джонса был получен в присутствии ближнего ИК и видимого света, что позволило выявить двухрежимный OPD с сопоставимой высокой производительностью как для обнаружения ближнего, так и видимого света. D * двухрежимного OPD в режиме обнаружения света NIR увеличивается с уменьшением обратного смещения с -35 до -40 В, а для двухрежимного OPD в режиме обнаружения видимого света увеличивается с прямым смещением от 12 до 15 В за счет заметно увеличенного фототока и низкого темнового тока в двухрежимном OPD.

Сводка темнового тока, чувствительности, EQE и D *, измеренных для двухрежимного OPD, работающего при различных обратных и прямых смещениях, с использованием коротковолновой (376 нм) и длинной (654 нм) длины волны. нм) источник света, приведенный в таблице S1. Высокая чувствительность 14,44 A / W, EQE 4767% и высокая D * 1,40 × 10 ¹³ Джонса были получены для двухрежимного OPD в присутствии коротких волн, например, измеренного для OPD. работал при прямом смещении 18 В с использованием источника света с длиной волны 376 нм.Чувствительность 12,94 A / W, EQE 2454% и D * 9,85 × 10 ¹² Джонса были получены для двухрежимного OPD, работающего при обратном смещении -45 В, в присутствии длинноволновый свет. Положения пиковых откликов, измеренных для двухрежимного OPD в режиме NIR и режиме видимого света, связаны с процессом PM в OPD и не перекрываются с положениями пиковых значений поглощения, измеренных для дискретной бинарной смеси P3HT: PC. ₇₀ Слой BM (100: 1) и тройная смесь P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ Слой BM (70: 30: 1), как показано на рис.2А.

Физика устройства

Чтобы понять уникальные спектральные характеристики трехслойного PM OPD, мы проанализировали различные явления обнаружения двухрежимного NIR-света и видимого света OPD, работающего при обратном и прямом смещениях. Смешивающиеся молекулы PC ₇₀ BM, распределенные в бинарной смеси P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) видимый светопоглощающий слой и тройная смесь P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1 ) Слой, поглощающий свет в ближнем инфракрасном диапазоне, действует как ловушка электронов в трехслойном PM OPD.Инжекция туннельных дырок происходит на границе органика / катод в двухмодовом OPD, работающем при обратном смещении из-за изгиба зон, вызванного высокой плотностью электронов, генерируемых светом в ближнем ИК-диапазоне, как показано на рис. 5A. Однако при обратном смещении инжекция электронов на границе ITO / P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1), модифицированной PFN-Br, подавляется из-за наличия большого энергетического барьера. В присутствии видимого света фотогенерированные электроны не могут быть захвачены молекулами PC ₇₀ BM в ближнем ИК-светопоглощающем слое.Следовательно, фототок не генерируется в двухрежимном OPD, как показано на фиг. 5B. Это связано с тем, что видимый свет поглощается только в бинарной смеси видимого светопоглощающего слоя P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) и полностью истощается оптическим разделителем P3HT, как показано на рис. 3B, что приводит к образование захваченных фотогенерированных электронов на границе ITO / P3HT, модифицированной PFN-Br: PC ₇₀ BM (100: 1). Следовательно, двухрежимный OPD реагирует только на световой сигнал в ближней инфракрасной области, работающий как световой OPD в ближней инфракрасной области, когда он работает с обратным смещением.

Рис. 5 Физика устройства.

Схематические диаграммы, иллюстрирующие принципы работы двухрежимного OPD, работающего при обратном смещении (в режиме обнаружения света в ближнем ИК-диапазоне): ( A ), создающий фототок в присутствии света ближнего инфракрасного диапазона в результате эффективного туннельного отверстия инжекция, обеспечиваемая накоплением захваченных фотогенерированных электронов на границе P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) / Al и ( B ) без генерации фототока в присутствии видимого свет из-за отсутствия впрыска дырок на границе раздела P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) / Al.OPD работал с прямым смещением (в режиме обнаружения видимого света): ( C ) без создания фототока из-за барьера для инжекции большого отверстия на аноде / P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) в интерфейсе присутствие ближнего ИК-света и ( D ) генерирование фототока из-за усиленной инжекции туннельных дырок, что стало возможным благодаря накоплению фотогенерированных электронов на границе анода / P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) видимого света.

При прямом смещении поведение впрыска дырок в двухрежимном OPD сильно отличается от OPD, который работает при обратном смещении в присутствии света NIR, как показано на рис.5С. При прямом смещении инжекция электронов на границе P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) / Al подавляется из-за существования большого межфазного энергетического барьера. Инжекция дырок на границе ITO / P3HT, модифицированной PFN-Br: PC ₇₀ BM (100: 1) подавляется из-за высокого межфазного энергетического барьера. В присутствии видимого света инжекция туннельных дырок происходит на модифицированном PFN-Br интерфейсе ITO / P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) в двухмодовом OPD при прямом смещении из-за полосы изгиб, вызванный высокой плотностью электронов, генерируемых видимым светом, как показано на рис.5D. Следовательно, двухрежимный OPD реагирует только на видимый свет, служащий как OPD видимого света, работающий при прямом смещении.

Характеристики устройства

Был проанализирован линейный динамический диапазон (LDR), определяемый как линейная зависимость фототока в OPD от интенсивности света двухрежимного OPD в присутствии ближнего ИК и видимого света. LDR может быть проанализирован с помощью следующего уравнения LDR = 20logIupperIlower (4), где I _{верхний} и I _нижний — это максимальный и минимальный пределы интенсивности света, при которых фототок OPD следует линейной зависимости от сила света ( 24 ).Характеристики LDR, измеренные для двухрежимного OPD в режиме обнаружения света в ближнем ИК-диапазоне, например, при различных обратных смещениях -20, -25 и -30 В с использованием источника света на светодиодах (770 нм) ближнего ИК-диапазона в диапазоне интенсивности света NIR от 10 ⁻⁹ до 10 ⁻¹ Вт / см ², показаны на рис. 6A. LDR 120 дБ был получен для двухрежимного OPD, работающего в режиме обнаружения света NIR. Фототок OPD отклоняется от линейной зависимости интенсивности света, когда интенсивность света NIR была ниже 10 ^-8 Вт / см ².Характеристики LDR двухрежимного OPD, работающего при различных прямых смещениях 9, 12 и 15 В, измерены с использованием источника видимого светодиодного света (460 нм) в диапазоне интенсивности видимого света от 10 ^-7 до 10 ^{— 1} Вт / см ², показаны на рис. 6В. Двухрежимный OPD имел LDR 92 дБ и отклонялся от линейной зависимости интенсивности света, когда интенсивность видимого света была ниже 10 ^-6 Вт / см ². Результаты показывают, что относительно стабильная LDR 120 дБ в присутствии ближнего ИК-света и LDR 92 дБ в присутствии видимого света были получены для двухрежимного OPD, работающего в режимах обнаружения ближнего ИК-диапазона и видимого света.

Рис. 6 Фотодетектирование в ближнем ИК и видимом свете. Характеристики

LDR, измеренные для двухрежимного OPD, работающего в присутствии источников ближнего ИК-света ( A ) и видимого света ( B ) (460 нм) при различных обратных и прямых смещениях. ( C ) Зависящие от времени фотоответы, измеренные для двухрежимного OPD, работающего в присутствии источников ближнего инфракрасного света (770 нм) и видимого света (460 нм).

Зависящие от времени фотоотклики двухрежимного OPD, измеренные в присутствии источников ближнего ИК-света (770 нм) и видимого света (460 нм), показаны на рис.6С. При измерении двухмодовый OPD был смещен на -35 или 15 В и подвергнут воздействию монохроматического источника света с частотной модуляцией 0,1 Гц. Принципиальная схема, иллюстрирующая установку для измерения двухрежимного OPD, показана на рис. S4. Фотографии были сделаны для устройства, показывающего расположение катода, анода и активной области двухрежимного OPD. В течение первых 4 минут двухрежимный OPD был смещен при -35 В и подвергнут воздействию модулированного источника света ближнего ИК-диапазона (770 нм), что обеспечило стабильный фотоотклик на свет ближнего ИК-диапазона.Затем источник света ближнего ИК-диапазона с частотной модуляцией 0,1 Гц был заменен источником видимого света с частотной модуляцией 0,1 Гц (460 нм). Фототок OPD с обратным смещением уменьшился до нуля, когда источник видимого света был заменен на источник света NIR, как показано на фиг. 6C, что указывает на его нечувствительность к видимому свету, когда он работает в режиме обнаружения света NIR. Это показывает, что двухрежимный OPD, работающий при обратном смещении -35 В, чувствителен только к ближнему ИК-излучению и не реагирует на видимый свет.Когда двухрежимный OPD работал при прямом смещении (15 В), он реагировал только на видимый свет и почти не реагировал на фотоотклик на свет ближней инфракрасной области. Результаты зависящего от времени фотоотклика подтверждают, что двухрежимный OPD, разработанный в этой работе, имеет уникальную особенность: высокий световой отклик в ближнем ИК-диапазоне при обратном смещении и высокий отклик в видимом свете при прямом смещении.

ОБСУЖДЕНИЕ

Достижение высокоэффективного спектрального отклика OPD с переключением смещения в двух различных диапазонах ближнего ИК и видимого света — сложная задача.В этой работе был предложен двухмодовый OPD, содержащий трехслойный органический пакет из поглотителя видимого света / оптического разделителя / поглотителя света в ближнем ИК-диапазоне. Такой трехслойный PM OPD приводит к замечательным явлениям двухрежимного обнаружения света, демонстрируя отклик в ближнем инфракрасном диапазоне, работающий при обратном смещении, и видимый отклик при прямом смещении. Двухрежимный OPD состоит из обработанной в растворе бинарной смеси P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1), поглощающей видимый свет, толщиной 320 нм, оптического разделительного слоя P3HT толщиной 320 нм и тройная смесь толщиной 500 нм P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) БИК-светопоглощающий слой.Отклик в ближнем ИК-диапазоне и видимом свете с переключением смещения в двухмодовом OPD тесно связан с двумя факторами: (i) различным распределением фотогенерированных электронов в присутствии NIR и видимого света и (ii) зарядом, зависящим от полярности смещения. инъекционное поведение. В присутствии света ближнего инфракрасного диапазона туннельная дырочная инжекция происходит на границе раздела поглотитель света и катода в ближнем инфракрасном диапазоне в OPD, работающем при обратном смещении из-за изгиба зон, вызванного высокой плотностью электронов, генерируемых светом в ближнем инфракрасном диапазоне.В присутствии видимого света инжекция туннельных дырок происходит на границе раздела анод / поглотитель видимого света в OPD при прямом смещении из-за изгиба зон, вызванного высокой плотностью электронов, генерируемых видимым светом. Высокая чувствительность> 10 A / W была получена для двухрежимного OPD на двух различных коротких и длинных волнах. Двухрежимный OPD, разработанный в этой работе, имеет одновременно высокий D * ~ 10 ¹³ Джонса как в ближнем ИК, так и в видимом диапазонах света.

Предлагаемые трехслойные двухмодовые фотодетекторы также могут быть разработаны для фотодетектирования в различных диапазонах коротковолнового света и длинноволнового света с использованием комбинации материалов с желаемыми поглощающими свойствами. По сути, использование оптической прокладки в трехслойном слое позволяет избирательно поглощать длинноволновую и коротковолновую части падающего света в длинноволновых и коротковолновых светопоглощающих областях. Можно выбрать подходящую оптическую прокладку, чтобы истощить коротковолновый свет и позволить длинноволновому свету достигать длинноволнового светопоглощающего слоя.Следовательно, концепция трехслойного OPD, описанная в этой работе, может быть использована для создания различных двухрежимных фотоприемников. Быстрый прогресс, достигнутый в разработке органических полупроводниковых материалов, предлагает привлекательный вариант и широкий выбор материалов для применения в различных двухрежимных фотодетекторах, например, в двухрежимных OPD синего и красного света.

Трехслойный двухрежимный OPD, представленный в этой работе, имеет относительно более толстый активный слой 1100 нм, который может вызывать относительно высокое рабочее напряжение.Напряжение возбуждения трехслойного напряжения может быть уменьшено путем выбора подходящей комбинации материалов и межфазной инженерии для уменьшения барьера инжекции заряда на границах раздела органических веществ и электродов. Ожидается, что активные материалы с четко определенным узким спектром поглощения в соответствующих коротковолновых и длинноволновых диапазонах будут идеальными для применения в двухрежимных OPD с ловушкой. В таком случае требуется только тонкая оптическая прокладка, чтобы реализовать четкое двухрежимное обнаружение, достигая двухрежимных OPD с низким напряжением возбуждения.

Высокопроизводительные двухрежимные OPD представляют собой привлекательную технологию оптического обнаружения, альтернативную традиционным одномодовым OPD. Они предлагают дополнительные преимущества, такие как наличие переключаемого смещения спектрального отклика для приложений обнаружения загрязнения окружающей среды, контроля здоровья и безопасности в двух различных диапазонах. Технологические процессы изготовления, поддающиеся решению, также приводят к значительной рентабельности, создавая, таким образом, большие площади и гибкие OPD следующего поколения. Уникальные свойства двухрежимного светового отклика, продемонстрированные в этой работе, предлагают привлекательный вариант для новой концепции и приложений OPD.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Изготовление устройства

Бинарный раствор P3HT: PC ₇₀ BM был приготовлен путем растворения смеси P3HT: PC ₇₀ BM с массовым соотношением P3HT к PC ₇₀ BM из 100: 1, в 1,2-дихлорбензоле ( o -DCB). Тройной раствор P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM был приготовлен растворением смеси P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM в массовом соотношении P3HT, PTB7-Th и PC ₇₀ BM, равном 70: 30: 1 в o -DCB.Стеклянные подложки с предварительно нанесенным рисунком ITO с листовым сопротивлением 10 Ом на квадрат были очищены ультразвуком последовательно с разбавленным жидким детергентом, деионизированной водой, ацетоном и 2-пропанолом каждый в течение 30 минут и высушены потоком газообразного азота. Влажные очищенные ITO / стеклянные подложки подвергали УФ-озоновой обработке в течение 15 мин перед загрузкой в перчаточный бокс с уровнями O ₂ и H ₂ O <0,1 частей на миллион для изготовления устройства. Поверхность ITO была модифицирована ультратонким слоем PFN-Br, полученным методом центрифугирования при скорости вращения 3000 об / мин в течение 50 с с последующим отжигом при 90 ° C в течение 10 мин.Использование анода ITO, модифицированного PFN-Br, заключается в создании интерфейсного диполя ( 25 ), способствующего двунаправленной инжекции туннельных отверстий в PM OPD. Затем бинарный слой смеси P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) толщиной 300 нм был нанесен на модифицированные PFN-Br ITO / стеклянные подложки методом центрифугирования при скорости вращения 400 об / мин в течение 100 с. и отжиг при 80 ° С в течение 20 с. Первоначально на предварительно очищенные кремниевые (Si) пластины были сначала нанесены исходный оптический разделитель P3HT толщиной 320 нм и тройной смешанный слой P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) толщиной 500 нм. , соответственно.Затем чистый оптический спейсер P3HT толщиной 320 нм был перенесен на поверхность бинарной смеси P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) видимый светопоглощающий слой путем ламинирования с использованием формы из полидиметилсилоксана (PDMS), образуя двухслойная структура P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) (300 нм) / P3HT (320 нм). Затем на поверхность двухслойного слоя P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) был наложен слой, поглощающий свет в ближнем ИК-диапазоне, толщиной 500 нм. (300 нм) / P3HT (320 нм), используя тот же процесс переноса ламинирования, формируя активный слой трехслойной конфигурации из P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) (300 нм) / P3HT (320 нм) / P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) (500 нм) на ITO / стеклянной подложке, модифицированной PFN-Br.Использование метода ламинирования PDMS заключается в том, чтобы избежать повреждения нижележащих органических материалов в органическом активном слое трехслойной конфигурации, если он был сформирован в процессе полного растворения, поскольку тот же растворитель o -DCB использовался в бинарном P3HT. : PC ₇₀ BM, чистый P3HT и тройной P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM. Затем многослойные образцы переносили в соседнюю вакуумную камеру с базовым давлением 5 × 10 ^–4 Па для осаждения алюминиевого электрода толщиной 100 нм.OPD имеют активную площадь 2,0 мм на 2,0 мм, определяемую площадью перекрытия между передним анодом ITO и верхним катодом из алюминия.

Метод переноса ламинирования

Органический стек P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) (300 нм) / P3HT (320 нм) / P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70:30: 1) (500 нм) пленки были изготовлены методом переноса с использованием плоской формы из PDMS. Плоская форма из ПДМС толщиной 1 мм и площадью 25 мм на 25 мм была приготовлена с использованием раствора ПДМС, приготовленного путем смешивания раствора эластомера и отвердителя в массовом соотношении 10: 1.Двойная смесь P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1), поглощающая видимый свет, толщиной 300 нм была нанесена на подложки стекло / ITO / PFN-Br методом центрифугирования. Первоначальный оптический разделительный слой P3HT толщиной 320 нм и тройная смесь P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) толщиной 500 нм были нанесены отдельно на кремниевые пластины. . Затем плоскую форму из ПДМС прижимали к поверхности органического слоя / кремниевой пластины, образец погружали в дистиллированную воду на 1 мин, а затем осторожно удаляли кремниевую пластину, оставляя органический слой на плоской форме из ПДМС.Перенос слоя P3HT осуществлялся путем прессования формы из ПДМС с покрытием P3HT на поверхность P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) (300 нм) / PFN-Br / ITO / стеклянная подложка в перчаточном ящике, с последующим отжигом в течение 15 минут, затем плоская форма из PDMS была осторожно удалена, образуя двухслойную стопку P3HT (320 нм) / P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) (300 нм) на модифицированном PFN-Br ITO / стеклянная подложка. Затем был выполнен перенос слоя P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) путем нажатия на слой P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) с покрытием. PDMS-форма на поверхности P3HT (320 нм) / P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) (300 нм) / PFN-Br / ITO / стеклянная подложка с последующим отжигом в течение 15 мин, затем плоский PDMS плесень осторожно удалили, образуя трехслойный органический стек P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) (300 нм) / P3HT (320 нм) / P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70:30: 1) (500 нм) на ITO / стеклянной подложке, модифицированной ПФН-Br.

Оптическое моделирование

Распределение оптического поля и профиль фотогенерированных носителей заряда в OPD были смоделированы с использованием анализа оптической проводимости. Зависимые от длины волны показатели преломления n (λ) и коэффициенты экстинкции k (λ) исходного слоя P3HT, бинарной смеси P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) слоя и тройной смеси P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) слой измеряли с помощью матричного эллипсометра Мюллера с двойным вращающимся компенсатором (эллипсометр ME-L, Wuhan Eoptics Technology Co.). n (λ) и k (λ), полученные для соответствующего исходного слоя P3HT, бинарной смеси P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) слоя и тройной смеси P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) нанесены на рис. S6. Скорость генерации заряда в органическом активном слое трехслойной конфигурации оценивалась с использованием следующего уравнения: G (λ) ∝α (λ) hv × η, (5) где G (λ) — плотность фотогенерированных носителей заряда, α (λ ) — оптическая плотность активного слоя, h — постоянная Планка, ν — частота фотонов, η — эффективность диссоциации экситонов.В качестве приближения в расчетах принималась постоянная η поперек активного слоя.

Характеристики

Характеристики OPD I — V были измерены с помощью измерителя источника KEITHLEY 2614B. Два светодиодных источника света с разными максимальными длинами волн излучения 770 нм (ближний ИК-свет) и 460 нм (видимый свет), управляемые функциональным генератором RIGOL DG4102, использовались для измерения откликов в ближнем ИК-диапазоне и видимом свете двухрежимных OPD. Интенсивность источников ближнего и видимого света контролировалась с помощью набора нейтральных оптических фильтров.EQE, определяемый как отношение количества фотогенерированных носителей заряда к количеству падающих фотонов, был рассчитан с использованием следующего уравнения EQE = (Il-Id) / ePin / hv, (6) где I _l и I _d — фототок и темновой ток, e — заряд элементарного электрона (1,6 × 10 ⁻¹⁹ Кл) и P _в — мощность падающего света. Источник монохроматического света, используемый в измерениях EQE, генерировался ксеноновой лампой и монохроматором Bentham TMc300.Переходные фотоотклики двухрежимных OPD измерялись с помощью цифрового люминофорного осциллографа Tektronix OPD2022B. Смещение постоянного тока, используемое в измерениях нестационарных фотоответов, контролировалось источником постоянного тока RIGOL DP821A.

Устройства с одним носителем

Подвижность дырок (μ _h) и подвижность электронов (μ _e) в P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) — и P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) устройств с одной несущей были проанализированы с использованием метода ограничения тока пространственным зарядом.Типичные характеристики J ^0,5 — V , измеренные для устройств с отверстиями только для отверстий ITO / PEDOT: PSS / P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) / Au (синие кружки) и ITO / PEDOT: PSS / P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) / Au (красные треугольники) показаны на рис. S5A. Характеристики J ^0,5 — V , измеренные для электронных устройств ITO / ZnO / P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) / LiF / Al (синие кружки) и ITO / ZnO / P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) / LiF / Al (красные треугольники) показаны на рис.S5B. Μ _h, полученный с использованием устройств только для отверстий ITO / PEDOT: PSS / P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) / Au и ITO / PEDOT: PSS / P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) / Au имеет порядок 10 ⁻⁵ см ² / Vs, что намного больше, чем μ _e, полученное для электронных устройств ITO / ZnO / P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) / LiF / Al и ITO / ZnO / P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) / LiF / Al (10 ⁻¹⁰ см ² / Вс). Результаты подвижности дырок и электронов хорошо согласуются с предыдущим отчетом ( 26 ).Измерение подвижности с переносом заряда показывает, что бинарная смесь P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) и тройная смесь P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) органических активных слоев захватывают электроны. в OPD PM.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Дополнительные материалы к этой статье доступны по адресу http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/5/eaaw8065/DC1

Рис. S1. Зависимые от полярности смещения спектральные характеристики OPD PM на основе P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1).

Рис. S2. Схематическая диаграмма уровней энергии функциональных материалов, используемых в двухмодовых OPD.

Рис. S3. Спектры EQE, измеренные для трехслойного двухмодового OPD при различных обратных и прямых смещениях.

Рис. S4. Принципиальная схема, иллюстрирующая установку для измерения двухрежимного OPD.

Рис. S5. Свойства переноса заряда устройств с одним носителем на основе P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) и P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) были проанализированы с использованием пространственного заряда– ограниченная текущая техника.

Рис. S6. Оптические константы функциональных слоев, использованные при оптическом моделировании в данной работе.

Таблица S1. Обобщенные параметры фотодетектирования.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution, которая разрешает использование, распространение и воспроизведение на любом носителе, при условии, что конечное использование будет , а не для коммерческих целей и при условии, что оригинальная работа правильно процитирована.

Благодарности: Оптические константы тройной смеси P3HT: PTB7-Th: PC ₇₀ BM (70: 30: 1) и бинарной смеси P3HT: PC ₇₀ BM (100: 1) слоев были измерены с помощью ЧАС.-L. Ип и Р. Ся из Южно-Китайского технологического университета. Финансирование: Эта работа финансировалась Советом по исследовательским грантам, Комитетом по университетским грантам, Гонконг, Фондом общих исследований (GRF / 12302817), Межведомственной системой совместных исследований Гонконгского баптистского университета (RC-ICRS / 15-16 / 04) и Государственная ключевая лаборатория экологического и биологического анализа (SKLP_1920_P04). Вклад авторов: F.Z. и Д. под наблюдением аспиранта З.Л., который проводил большую часть экспериментов (изготовление / описание OPD).Ю.Л. помог З.Л. для моделирования устройства. W.K.E.C. помог З.Л. для характеристики устройства. S.C. помог Z.L. в изготовлении устройства. F.Z. руководил общим проектом. Рукопись написана при участии всех авторов. Конкурирующие интересы: F.Z. и З.Л. являются изобретателями по патентным заявкам, связанным с этой работой, поданным Гонконгским баптистским университетом (16 592 793 США, подана 4 октября 2019 г., Китай № 201_{1975.5 и Япония № 2019-185194, подана 8 октября 2019 г.). Авторы не заявляют о других конкурирующих интересах. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах. Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.}

Copyright © 2020 Авторы, некоторые права защищены; эксклюзивный лицензиат Американской ассоциации содействия развитию науки. Нет претензий к оригинальным работам правительства США. Распространяется по некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY-NC).

Коротковолновый инфракрасный Si-фотодетектор при комнатной температуре

Изготовление сверхдопированного Si-слоя и его микроструктурные свойства

Двухсторонние полированные кремниевые подложки <100> p-типа с удельным сопротивлением 1–10 Ом · см были имплантированы при комнатная температура с ионами Se при флюенсах 3 × 10 ¹⁵ см ^–2, 6 × 10 ¹⁵ см ^–2 и 9 × 10 ¹⁵ см ^–2 с энергией имплантации 60 кэВ . Это обеспечивает прогнозируемый диапазон 50 нм и атомную концентрацию Se около 1.1%, 2,3% и 3,5%, что экспериментально подтверждено измерениями спектрометрии обратного резерфордовского рассеяния (RBS). Затем имплантированные образцы подвергали отжигу с импульсной лампой в атмосфере N ₂ с энергией 33 Дж / см ² в течение 1,3 мс. Перед этим этапом отжига был проведен предварительный нагрев при 300 ° C в течение 30 с, чтобы уменьшить внутреннюю деформацию во время FLA ²³. В этих условиях — и в отличие от жидкофазной эпитаксии, основанной на методах лазерного отжига — индуцируется твердофазная эпитаксия, позволяющая получить монокристаллический гипердопированный кремний без протяженных дефектов.Более того, сегрегация и диффузия Se подавляются, что приводит к концентрации Se до 9 × 10 ²⁰ см ^-3, включенных в решетку Si. Это соответствует значению, на четыре порядка превышающему предел растворимости Se в Si в твердом состоянии. Дополнительные подробности о преимуществах использования FLA для гипердопирования Si вместо PLM можно найти в других источниках ²². См. Также «Методы» для получения дополнительной информации о настройке FLA.

На рис. 1 приведены микроструктурные свойства полученных слоев Si с гипердопированным Se.В частности, на рис. 1а показаны спектры μ-комбинационного рассеяния от имплантированного образца с пиковой концентрацией Se 2,3% после FLA и исходной монокристаллической подложки Si, использованной в качестве эталона. Для монокристаллического Si пик комбинационного рассеяния при 303 см ⁻¹ приписывается рассеянию на поперечных акустических фононах второго порядка (2TA), тогда как пик с максимумом при 520 см ⁻¹ соответствует поперечному оптическому (TO ) фононная мода. В имплантированном образце наблюдается широкая полоса комбинационного рассеяния с максимумом при 460 см ^-1.Это связано с процессом аморфизации Si при ионной имплантации ²⁴. Имплантированный образец также демонстрирует резкую полосу 520 см ^-1, которая возникает от подложки Si, поскольку в аморфном Si глубина проникновения при возбуждении лазером 532 нм больше, чем толщина аморфного слоя (100 нм). образуются в процессе имплантации. После FLA проявляется только резкая полоса комбинационного рассеяния с максимумом при 520 см ^-1 без следов аморфной полосы.Этот факт свидетельствует о том, что рекристаллизация Si, имплантированного Si, методом FLA с относительно высоким качеством.

Рисунок 1: Микроструктурные свойства.

( a ) Спектры μ-комбинационного рассеяния света от чистой кремниевой пластины, имплантированного образца с 2,3% Se и образца, впоследствии отожженного импульсной лампой в течение 1,3 мс. Ось Y смещена для ясности. ( b ) Типичное изображение поперечного сечения HAADF-STEM в сочетании с картированием EDXS для того же отожженного образца (зеленый: Si, красный: O, синий: Se).( c ) Спектры RBS / каналирования вдоль кристаллографической оси Si [100] от образца Si, имплантированного Se, с пиковой концентрацией Se 2,3%. Матрица Si полностью перекристаллизовывается через 1,3 мс FLA, и атомы Se замещают узлы решетки Si.

На рис. 1b показана типичная микрофотография HAADF STEM, полученная в геометрии оси зоны Si [110] в сочетании с картами элементов EDXS для указанной области (а именно: зеленый: Si, красный: O, синий: Se). Согласно этим результатам, внутри рекристаллизованного слоя Si наблюдается равномерное распределение Se шириной около 50 нм.Более того, в отличие от кремния с гипердопированным золотом, синтезированного с помощью PLM ³, не наблюдалось поверхностной сегрегации Se и никаких признаков агломератов Se в нанометровом масштабе, несмотря на высокую концентрацию Se. Поверхность образца окислена, и монокристаллический Si-гипердопированный Si содержит отдельные дефекты упаковки. Конечные дефекты, возникающие в результате процесса имплантации, видны на глубине около 108 нм.

На рисунке 1c в качестве примера показаны типичные произвольные спектры RBS и спектры распределения каналов после FLA для образца, имплантированного с флюенсом 6 × 10 ¹⁵ см ⁻².Спектр RBS-канализации доказывает, что имплантированный слой хорошо перекристаллизован с помощью FLA. Кроме того, это подтверждает замещение Se на узлах решетки Si, как сообщалось ранее ²². Доля замещения около 70% атомов Se была приблизительно определена во всех образцах соотношением между каналированием и случайным спектром сигнала Se. Кроме того, спектр RBS-канализации показывает приповерхностный минимальный выход обратного рассеяния (отношение ориентированного выхода к случайному) около 4%, что сопоставимо со значением, определенным для эталонной монокристаллической подложки Si.

С другой стороны, измерения эффекта Холла при комнатной температуре в геометрии Ван-дер-Пау показали эффективные концентрации электронов около (8,1 ± 0,7) × 10 ¹⁹ см ^–3, (3,6 ± 0,7) × 10 ²⁰ см ⁻³ и (2,8 ± 0,7) × 10 ²⁰ см ⁻³ для образцов с концентрацией Se 3 × 10 ²⁰ см ⁻³ (1,1%), 6 × 10 ²⁰ см ⁻³ (2,3%) и 9 × 10 ²⁰ см ⁻³ (3.5%) соответственно. Это обеспечивает эффективную электрическую активацию примесей селена примерно на 27%, 60% и 30% соответственно. Интересно, что эффективная электрическая активация значительно снижается при самой высокой концентрации Se. Вероятно, это связано с образованием электрически неактивных комплексов, таких как димеры Se-Se, которые вызывают дезактивацию допанта ²⁵.

Поглощение SWIR и инженерия запрещенной зоны

Мы выполнили измерения инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье, чтобы проверить поглощение SWIR от слоев Si-гипердопированного Si для энергии фотонов в диапазоне от 0.От 04 до 0,86 эВ (λ = от 31000 до 1442 нм). На рисунке 2a показаны спектры поглощения ( A = 1- T — R ), вычисленные путем измерения спектров пропускания ( T ) и отражения ( R ) для трех концентраций Se и чистого Si-субстрата. Интересно отметить, что все слои Si, имплантированные Se, демонстрируют сильное поглощение SWIR вплоть до 0,4 эВ (λ = 3100 нм), что не наблюдается в исходной подложке Si, используемой в качестве эталона (сравнения). ВНИМАНИЕ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! Более того, поглощение SWIR значительно увеличивается с увеличением концентрации Se, за исключением образца с самым высоким содержанием Se.Это объясняется образованием димеров Se-Se, поскольку матрица Si больше не может вмещать больше атомов Se при таких высоких концентрациях (9 × 10 ²⁰ см ^-3). Исследования тонкой структуры рентгеновского поглощения (EXAFS) показали, что атомы Se релаксируют с гипердопированных дефектов замещения в выделенные состояния SiSe ₂, что приводит к уменьшению субзонного поглощения из-за изменения химического состояния. атомов Se ²⁶.

Рис. 2: Технология поглощения и ширины запрещенной зоны в SWIR.

( a ) Спектры оптического поглощения в суб-запрещенной зоне по результатам измерений FTIR для чистого Si и трех концентраций Se (1,1%, 2,3% и 3,5%). ( b ) Представление второй производной мнимой части диэлектрической функции ( d ² ε ₂ ( E ) / dE ²) относительно фотона энергия. E ₁ обозначает высокоэнергетическую критическую точку Si, которая смещается в красную область, когда концентрация Se увеличивается от 1.От 1% до 3,5%. ( c ) Набросок плотности состояний и эволюции примесной зоны в зависимости от увеличения концентрации Se. ИП сливается с зоной проводимости над переходом металл-изолятор.

Модификация электронной зонной структуры кремния в зависимости от содержания Se была исследована с помощью спектроскопической эллипсометрии при скользящем угле падения 80 ° и в диапазоне энергий фотонов 1–4 эВ. Перед измерениями слой нативного SiO ₂ был протравлен водным HF для обеспечения правильных результатов.На рис. 2б показаны спектры второй производной мнимой части диэлектрической функции, измеренные для исходной подложки Si и гипердопированных образцов Si с различными концентрациями Se. Структура диэлектрической проницаемости связана с критическими точками электронных межзонных переходов. Результаты эллипсометрии показывают красное смещение критической точки E ₁ в Si (межзонный переход по направлению зоны Бриллюэна) ²⁷ с увеличением концентрации Se (см.рис.2b), что предполагает прямую модификацию электронной зонной структуры кремния с уменьшением ширины запрещенной зоны.

Это явление схематично представлено на рис. 2в с помощью диаграммы плотности состояний. Формирование примесной полосы при высоких концентрациях легирующей примеси широко изучено ^15,19,28. В нашем случае, например, когда атомы Se приближаются друг к другу при высоких концентрациях, их волновые функции начинают перекрываться, что приводит к уширению донорных уровней в ИП.Чем выше концентрация Se ( N _D), тем шире ИБ ²⁹, с Δ E _IB ширина ИБ, e заряд элементарного электрона, ε _o диэлектрическая проницаемость вакуума и ε _r относительная диэлектрическая проницаемость. Когда IB становится достаточно широким, чтобы сливаться с зоной проводимости, электроны больше не локализуются на донорных уровнях и становятся свободными носителями.В этот момент происходит переход металл-изолятор или переход Мотта ³⁰. Это явление обычно имеет место в Si при концентрациях Se около 3 · 10 ²⁰ см ⁻³ ²⁸. Помимо этого уширения донорных уровней, функция распределения носителей также вырождается с увеличением концентрации Se. Сообщается, что энергия связи атомов Se в Si находится в диапазоне 130–164 мэВ ³¹.

Si p-n-фотодиоды SWIR для комнатной температуры

Мы выполнили электрические контакты для опроса установившегося оптоэлектронного отклика устройств.5 мм ² -фоточувствительные области определялись электронно-лучевым испарением Au-контактов шириной 1 мм (рис. 3а) в виде рамки поверх гипердопированных слоев Si: Se n-типа, тогда как слой p Подложка Si-типа была полностью покрыта слоем Au толщиной 180 нм, обеспечивающим задний контакт. Поперечное сечение p-n фотодиодов схематично представлено на рис. 3а.

Рисунок 3: Устройство и характеристики устройства.

( a ) Поперечное сечение фотодиодных Si p-n-фотодиодов с гипердопированным Se.( b ) Зонная диаграмма примесного зонного Si p-n-фотодиода. Электроны валентной зоны с энергией, равной или превышающей hν ≥ E _g — Δ E _IB, продвигаются в IB из валентной зоны и, в свою очередь, в зону проводимости через -опосредованный процесс. Образовавшиеся дырки в валентной зоне собираются задним золотым контактом, тогда как электроны зоны проводимости удаляются верхним золотым контактом.В результате количество падающих фотонов при разрешенных энергиях подзоны пропорционально преобразуется в измеримый ток. Напротив, фотоны с энергией ниже hν < E _g не поглощаются в области Si p-типа.

Принцип работы p-n-фотодиодов SWIR p-n для комнатной температуры на основе Si-гипердопированного Si графически показан на рис. 3б. Фотоны с энергией hν ≥ E _g −∆ E _IB могут только поглощаться.Таким образом, эти фотоны возбуждают электроны из валентной зоны в ИБ. Впоследствии электроны термически продвигаются в зону проводимости, поскольку IB простирается близко к нижнему краю зоны проводимости, и энергии, сравнимые с тепловой энергией (25 мэВ), достаточны для запуска термически опосредованного процесса. Мы экспериментально проверили близость ИБ к зоне проводимости с помощью графика Аррениуса из измерений фототока как функции обратной температуры в диапазоне 100–300 К.Мы получили энергии активации 38 ± 3 мэВ, 30 ± 3 мэВ и 35 ± 3 мэВ для содержания Se 1,1%, 2,3% и 3,5% соответственно. Это указывает на то, что IB не сливается с зоной проводимости, и, таким образом, предполагается наличие мини-запрещенной зоны между ними. Ширина мини-запрещенной зоны сравнима с k _B T = 25 мэВ.

На рисунке 4а представлен спектральный фотоотклик устройств при обратном смещении 1 В с использованием света от вольфрамовой галогенной лампы мощностью 5 Вт (серия Ocean Optics HL-2000), фильтруемого монохроматором.Освещаемая площадь всегда оставалась постоянной и составляла примерно 4 мм ². На выходе монохроматора использовался пропускной фильтр длиной 780 нм в диапазоне длин волн 850–1250 нм. Там мы представили кремниевую пластину с просветляющим покрытием, чтобы исключить дополнительный вклад от длин волн второго порядка, длиннее 1100 нм. Спектральный фотоотклик коммерческого Si-фотодиода показан для справки (см. Рис. 4а, сплошная черная линия). Фотоприемники Si-гипердопированного Si демонстрируют две хорошо выраженные широкие полосы фотоотклика.Ожидаемый фотоотклик Si выше его запрещенной зоны и фотоотклик с хорошо увеличенной подзоной — в тесной связи с результатами FTIR — показаны на рис. 2a. Минимальный сигнал фотоотклика с максимумом на 1250 нм соответствует мини-запрещенной зоне между верхним краем примесной зоны и краем зоны проводимости, что подтверждает отсутствие слияния IB с зоной проводимости в любом из трех случаев. Спектральный сигнал подзонной зоны показывает почти плоский фотоотклик выше 1450 нм. Более того, ближняя запрещенная зона спектрального фотоотклика фотодетекторов Si-гипердопированного Si простирается примерно на 80 нм глубже в инфракрасную область, чем у коммерческих Si-фотодиодов.Как и ожидалось, фотоотклика для энергий ниже ширины запрещенной зоны кремния 1,12 эВ не наблюдалось для коммерческого Si-фотодиода. Форма спектральной линии также не изменяется при увеличении концентрации Se с 1,1% до 3,5%.

Рис. 4. Характеристики стационарного фотодетектора.

( a ) Нормированный фототок фотодетекторов для исследуемых атомных концентраций Se при обратном смещении 1 В. Спектральный отклик коммерческого Si-фотодиода показан для справки. Все спектральные фотоотклики нормированы на максимальный отклик кремниевого фотодиода.( b ) Типичная ВАХ фотодиода при прямом и обратном смещении. На вставке показан чистый фототок в зависимости от напряжения. ( c ) Чистый фототок как функция температуры в ответ на освещение 1550 нм при обратном смещении 1 В. ( d ) Чистый фототок в зависимости от входной оптической мощности на длине волны 1550 нм.

Далее мы представляем результаты для 2,3% пиковой концентрации Se, поскольку никаких заметных различий между образцами не наблюдалось и, в свою очередь, они согласуются с ранее представленными данными.На рисунке 4b показана типичная вольт-амперная характеристика фотодиода при комнатной температуре при прямом и обратном смещении. Прямой ток экспоненциально увеличивается с увеличением прямого напряжения, тогда как поведение выпрямления обратного тока имеет место, когда фотодиоды смещены в обратном направлении. Темновой ток при обратном смещении 1 В составил 57,3 мкА. Кроме того, на вставке к рис. 4b показано, что суммарный фототок, генерируемый светом с длиной волны 1550 нм, линейно масштабируется с увеличением обратного напряжения и затем достигает насыщения при 1 В.Чистый фототок означает вычитание фотогенерируемого тока при освещении 1550 нм и темнового тока.

Температурно-зависимые измерения фотоотклика были проведены для более глубокого изучения оптоэлектронных характеристик устройства. Эксперименты проводились в интервале температур 10–300 К с использованием замкнутой системы охлаждения газообразного гелия. Устройства были смещены в обратном направлении при 1 В и оптически освещены на 1550 нм, поддерживая постоянными как освещаемую область, так и входную оптическую мощность.Рисунок 4c показывает, что суммарный фототок на 1550 нм значительно увеличивается с 90 K до 300 K. Это увеличение фототока обратного смещения в зависимости от температуры подтверждает процесс прохождения электронов из IB в зону проводимости с тепловым воздействием. Этот механизм делает этот класс фотоприемников пригодным для работы при комнатной температуре в спектральном диапазоне SWIR. В качестве альтернативы суммарный фотоотклик обратного смещения остается равным нулю ниже 90 К. Это связано с эффектом вымораживания электронов ³², что означает, что при таких низких температурах уровень Ферми находится выше верхнего края IB и нет электроны из IB термически продвигаются в зону проводимости.

На рисунке 4d показан фототок устройства при обратном смещении 1 В как функция входной оптической мощности на длине волны 1550 нм. Мы наблюдаем линейный фотоотклик в подзонной зоне, который предполагает однофотонное поглощение, опосредованное IB, а не двухфотонный механизм поглощения. Чувствительность, определяемая как R = I _ph / P _в, где I _ph — генерируемый фототок, а P _в — оптическая мощность, поступающая на фотодиод, была рассчитана как 72 ± 3 мкА / Вт при Возбуждение на длине волны 1550 нм и обратное смещение 1 В, тогда как внешняя квантовая эффективность (EQE) была определена как приблизительно 6 × 10 ^-3%.Это значение EQE сравнимо с сообщенным для Si-фотодиодов с пересыщением Au ³. Более того, емкость перехода фотодиодов составила около 53 нФ / см ² при обратном напряжении 1 В с учетом площади 1,2 × 10 ^-3 см ², тогда как время нарастания и время спада были измеренные значения составили 7 нс и 23 нс соответственно. Поскольку большая часть генерации фототока происходит в гипердопированной Se области устройства, ожидается, что время отклика будет в основном ограничено диффузией носителей в область истощения, что делает этот тип детекторов подходящим для приложений в диапазоне частот МГц. диапазон.

Основываясь на результатах демонстрации первого устройства, устройство EQE определено как решающий фактор, который необходимо улучшить для практических приложений. Это можно решить, включив (i) просветляющее покрытие для захвата света, (ii) эффективное управление извлечением носителей и / или (iii) создание более толстых слоев Si-гипердопированного Si. Для иллюстрации мы запишем EQE как функцию длины волны следующим образом:

— это ξ — доля электронно-дырочных пар, которые вносят вклад в фототок, R _op — коэффициент отражения оптической мощности на поверхности, α (λ ) — коэффициент оптического поглощения, который, как сообщается, составляет 10 ⁴ см ^-1 на 1550 нм для слоев Si-гипердопированного Si ¹² и d — толщина активного слоя.В частности, коэффициент учитывает долю потока фотонов, поглощенную материалом. Основываясь на приведенном выше соотношении, можно сделать вывод, что общее количество поглощенного света в слое может быть увеличено, если толщина активного слоя увеличится с 50 нм до значений, превышающих 1 мкм ( d > 1/ α, α = 10 ⁴ см ⁻¹, d > 1 мкм). Однако в лучшем случае эта альтернатива будет означать улучшение EQE только в 5 раз, поскольку измеренное поглощение в слоях составляет около 20%.Таким образом, наиболее многообещающим и простым решением для значительного улучшения EQE, по-видимому, является подходящая конструкция электродов для эффективного извлечения носителей, поскольку большинство генерируемых электронно-дырочных пар рекомбинируют до того, как собираются электродами, что сильно снижает внутреннюю квантовую эффективность. , ξ (1 — R _op). Для этой цели следует разработать решетку встречно-штыревых электродов с зазором между штырями, меньшим, чем длина диффузии неосновных носителей заряда.Полупрозрачный поликристаллический кремний также мог использоваться в качестве электродного материала вместо золота.

Таким образом, мы продемонстрировали p-n-фотодиоды SWIR p-n при комнатной температуре из монокристаллического Si, гипердопированного Se, с использованием устойчивой и надежной неравновесной обработки, состоящей из ионной имплантации с последующей FLA миллисекундного диапазона. Этот подход является воспроизводимым, недорогим, допускает масштабируемость и включает неравновесные концентрации Se до 9 × 10 ²⁰ см ^-3 таким образом, чтобы сохранить изначальную структуру материала.Он также имеет то преимущество, что предотвращает поверхностную сегрегацию, перераспределение примеси и кластеризацию. Показано, что фотоотклик SWIR связан с известными глубокими энергетическими уровнями Se в Si. Фотоотклик гипердопированного Si может быть увеличен до 3100 нм (0,4 эВ) согласно спектрам поглощения FTIR. Эти фотодетекторы также подходят для одновременного охвата как видимого, так и SWIR спектрального диапазона. Мы считаем, что эта технология может стать конкурентоспособной, как только будет преодолен консервативный барьер в 1% квантовой эффективности.

Монолитная интеграция видимого GaAs и InGaAs ближнего инфракрасного диапазона для многоцветных фотодетекторов за счет использования высокопроизводительного эпитаксиального подъема к системам формирования изображений с высоким разрешением

Для изготовления многоцветных PD, как показано на рис. 1, важная причина для Использование Y ₂ O ₃ в качестве связующего материала связано с его высоким коэффициентом пропускания в широком диапазоне длин волн от 400 нм до 13 мкм, что является лучшим выбором для уменьшения оптических потерь многоцветных PD ^18,19.Кроме того, мы исследовали влияние толщины Y ₂ O ₃ на оптические потери для этой схемы устройства, поскольку разница показателей преломления между материалами может вызвать внутреннее отражение на границах раздела. Чтобы оценить влияние толщины Y ₂ O ₃, для моделирования использовалась простая структура, состоящая из GaAs, Y ₂ O ₃ и InGaAs той же толщины, что и у реальных устройств, как показано на Рис. 2 (а). На рис. 2 (b) показан результирующий коэффициент отражения как функция длины волны от 700 до 1500 нм.По сути, было обнаружено, что количество отраженного света составляет 30% на верхней поверхности GaAs, что вполне разумно, учитывая его показатель преломления, равный примерно 3,3. Во всем диапазоне длин волн высокий коэффициент отражения наблюдался при увеличении толщины Y ₂ O ₃ от 0 до 655 нм. Кроме того, толстый слой Y ₂ O ₃ может вызывать оптическую интерференцию в длинноволновой области из-за образования структуры полости. Благодаря этому свойству отражательная способность может быть минимизирована на определенной длине волны около 1300 нм, когда связывающий слой Y ₂ O ₃ имел толщину 320 нм и 655 нм.Тем не менее, его следует в конечном итоге уменьшить, чтобы уменьшить оптические потери на границе раздела материалов. Таким образом, учитывая как условия склеивания, так и оптические потери, мы выбрали слой Y ₂ O ₃ толщиной 40 нм, который можно дополнительно уменьшить с помощью оптимизированного процесса склеивания.

Рис. 2

Исследование влияния изменения толщины Y ₂ O ₃ на коэффициент отражения. ( a ) Схема краткой структуры для моделирования ( b ) результатов моделирования с различной толщиной связующего слоя Y ₂ O ₃.

На рис. 3 (а) показано изображение, полученное с помощью оптического микроскопа, на виде сверху изготовленного многоцветного фотодиода с тремя выводами. Каждый электрод четко разделен по краю мезы без поврежденных участков. Как показано на вставке к оптическому изображению, многоцветный массив частичных разрядов 2 × 5 был успешно сформирован из верхних и нижних частичных разрядов в однопиксельной области. Кроме того, для точной оценки кристаллических качеств было выполнено измерение XRD с высоким разрешением (HRXRD) с использованием ATX-G, оснащенного излучением Cu K _α1 и двойными кристаллами.На рис. 3 (b) показаны результаты сканирования θ, −2, θ для InGaAs PD и GaAs PD в качестве эталонного и многоцветного PD, соответственно. Только один пик наблюдался для ФД GaAs при 66,05 °, что соответствует пику GaAs (004), в то время как два пика наблюдались для ФД InGaAs при 63,34 ° и 63,45 °, которые соответствуют InP (004) InGaAs (004). пики соответственно. Затем результат XRD многоцветного фотодиода показал комбинацию пиков фотодиода GaAs и InGaAs при 63,34 °, 63,45 ° и 66,05 °, что отвечает за подложку и контактный слой из InP (004), InGaAs (004) и тонкая пленка GaAs (004) соответственно.Эти же положения пиков по сравнению с эталонным PD показывают, что GaAs PD был успешно интегрирован с InGaAs PD без деформации и сильного смещения вертикальной оси. Кроме того, значения полной ширины на полувысоте (FWHM) пиков InGaAs и GaAs составляли 167 и 373 угловых секунды, соответственно. Это говорит о том, что качества GaAs и InGaAs PD будут сохраняться во время высокопроизводительного процесса ELO и процесса изготовления.

Рис. 3

Характеристика изготовленных многоцветных ФД.( a ) Оптическое изображение многоцветного PD с тремя выводами (вид сверху), оптическое изображение для высоко выровненного массива 2 × 5 ( b ) θ- 2 θ измерений для эталонных GaAs, InGaAs PD и многоцветных PD.

На рис. 4 (а) показано поперечное сечение изображения, полученного с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Было отмечено, что GaAs PD был прикреплен к InGaAs PD с хорошей однородностью и без каких-либо пустот на границе соединения. Также отсутствовали видимые дефекты или дислокации в активном слое и на поверхностях любого из фотодиапазонов.На рис. 4 (b) показано изображение с высоким разрешением, полученное рядом с границей соединения. Резкие границы раздела фаз GaAs, AlGaAs, Y ₂ O ₃, InP и InGaAs были подтверждены, несмотря на процесс термического отжига. Резкие границы раздела также были подтверждены методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX). На рисунке 4 (c) показан профиль линии, измеренной методом энергодисперсионной спектроскопии (EDX) от A до A ’, который определенно показывает границы связующего слоя Y ₂ O ₃ и эпитаксиальных слоев без взаимной диффузии.Хотя существует проблема взаимной диффузии вблизи различных материалов для методов, основанных на выращивании, интеграция на основе склеивания свободна от проблем диффузии, потому что слой Y ₂ O ₃ играет важную роль в качестве диффузионного барьера, а также связующий материал. На рис. 4 (d – e) показаны шаблоны быстрого преобразования Фурье (БПФ) для InP, Y ₂ O ₃ и GaAs, соответственно. Структуры InP и GaAs убедительно свидетельствуют о том, что хорошее качество монокристаллов было поддержано за счет соединения пластин, ELO и даже быстрого термического отжига (RTA).Для слоя Y ₂ O ₃ его рисунок указывает на поликристаллические характеристики, вызванные частичной кристаллизацией оксидов в процессе RTA, как было показано в наших предыдущих работах ²⁰. Эти результаты показывают, что мы успешно изготовили многоцветный PD в области с одним пикселем без какого-либо ухудшения качества материала. Следовательно, этот подход к монолитной интеграции каждого PD в отдельные пиксели полностью позволяет многоцветным PD иметь высокое качество материала, надежность процесса и отсутствие отклонения от оси в направлении вне плоскости.

Рис. 4

Исследование качества склеивания и качества материала для формованной многоцветной структуры фотодиода. ( a ) поперечное сечение ПЭМ-изображения с низкой величиной для многоцветных фотодетекторов, ( b ) расширенное ПЭМ-изображение на границе связывания Y ₂ O ₃, ( c ) профиль EDAX с точки зрения каждого атома от A до A ‘, ( d — f ) шаблоны быстрого преобразования Фурье (БПФ) InP, Y ₂ O ₃ и GaAs, соответственно.

Для исследования электрических характеристик многоцветных PD были измерены вольт-амперные ( I ) -вольтные ( В ) характеристики изготовленных устройств при комнатной температуре, как показано на схеме на рис. 5 (а). Измерения проводились прибором Keithley 4200 на зондовой станции. Верхний GaAs PD имел размеры 335 × 315 мкм ², а нижний InGaAs PD имел размеры 425 × 375 мкм ². Четкие характеристики выпрямления каждого частичного разряда были обнаружены при смещении от -1.Было приложено напряжение от 5 до 1,5 В, как показано на рис. 5 (b). В то время как ФД на основе GaAs показал отношение I _{± 1,5 В}, равное примерно 10 ⁷ для напряжения смещения ± 1,5 В, ФП на основе InGaAs показало примерно 10 ⁴ порядков величины. Мы измерили 12 идентичных устройств, которые показали аналогичные уровни темнового тока и отношения I _{± 1,5 В} для того же диапазона смещения.

Рис. 5

Электрические измерения для изготовленных частичных разрядов для исследования независимой работы и надежности процесса.( a ) схема окончательной структуры для электрических измерений многоцветных PD, ( b ) напряжение-напряжение GaAs и InGaAs PD в многоцветных PD, ( c) и (d ) сравнение темнового тока между GaAs и InGaAs PD эталонной структуры и многоцветной структуры.

Чтобы сравнить характеристики эталонного и многоцветного фотодиода, мы измерили характеристики темнового тока, как показано на рис. 5 (c, d). Эталонные структуры частичных разрядов показаны на рисунке. Чтобы эквивалентно сравнить характеристики в области темнового тока верхнего ФД из GaAs, была построена такая же перенесенная структура с использованием ФД из GaAs на подложке Si.Когда мы оценили ток утечки между верхним фотокамерой из GaAs в многоцветном фотодиапазоне и эталонным фотокамерой из GaAs, плотность тока показала аналогичный уровень 10 ^–7 А / см ² для обоих фотодиодов во всем диапазоне смещения. Заметной разницы между двумя PD не наблюдалось, учитывая небольшие различия между устройствами. Такое же сравнение было выполнено для эталонного ФП InGaAs и нижнего ФП InGaAs. Эталонный InGaAs PD был изготовлен с использованием типичного процесса PD с теми же схемами металлизации и процессом RTA, который использовался для изготовления многоцветного PD.Хотя многоцветный PD прошел процесс ELO в растворе на основе HF, не было обнаружено избыточного темнового тока по сравнению с эталонным InGaAs PD. Проверка I-V-поведения многоцветного PD демонстрирует, что наш производственный процесс жизнеспособен для создания высокопроизводительных устройств.

Мы также исследовали оптические свойства изготовленного многоцветного фотодиода с использованием различных лазерных диодов, а именно, 520 нм, 620 нм, 808 нм и 1310 нм перестраиваемого лазера со световодом через линзовое волокно в зонде Keithley 4200. станция.Чтобы точно охарактеризовать характеристики устройства на каждой длине волны, интенсивность всех падающих лазерных лучей была тщательно откалибрована. Si-фотодиод (Thorlabs) и Ge-фотодиод (818-IR / CN, Newport) использовались для калибровки интенсивности света для видимых диапазонов длин волн, включая 520/620/808 нм и 1310 нм, соответственно. Измеритель оптической мощности имел разрешение единицы нановатт. Все лазеры падали на верхнюю поверхность многоцветного фотодиода вертикально. На рисунке 6 (а) показаны схематические структуры при измерении, когда смещение было приложено к верхнему фотодиоду из GaAs для индивидуальной оценки характеристик каждого фотодиода.На рис. 6 (b, c) представлены оптические характеристики верхнего фотодиода GaAs с длинами волн 808 и 1310 нм (отклики 520 и 620 нм не показаны). В то время как четкие фотоотклики наблюдались при мощности падающего лазера 0,65, 1,3, 3,5, 6,5 и 12 мкВт с лазером 808 нм, лазер 1310 нм не мог генерировать какие-либо фотоносители внутри GaAs PD, поскольку полоса поглощения GaAs не может отслеживать такие длинноволновый из-за его запрещенной зоны. Затем мы рассчитали оптическую чувствительность ( R _i) при смещении −1 В как

$$ {R} _ {{\ rm {i}}} = {I} _ {{\ rm {ph} }} / {{\ rm {P}}} _ {{\ rm {in}}}.$$

Рис. 6

Исследование характеристик верхних фотокамер на основе GaAs с помощью оптических измерений. ( a ) Схема измерения верхних частичных разрядов GaAs при электрических характеристиках, ( b ) фотоответы верхних частичных разрядов GaAs с лазером 808 нм и ( c ) лазером 1310 нм, ( d ) фототоки как функция падающего мощность лазера с лазером 808 нм.

Что касается длин волн 520 нм и 620 нм, GaAs PD показал значения чувствительности 2,2 мА / Вт и 40 мА / Вт соответственно.Кроме того, рассчитанная чувствительность для длины волны 808 нм составила 0,15 А / Вт. Этот верхний фотодиод на основе GaAs показал характеристики, аналогичные характеристикам фотодиода на основе GaAs на Si с той же эпитаксиальной структурой, о которой сообщалось в предыдущей статье ²¹. ФД GaAs на Si показал чувствительность 0,06 A / Вт для длины волны 635 нм. Причина низкой чувствительности может быть объяснена поглощением свободных носителей заряда в слое n ⁺ -GaAs толщиной 600 нм и высоким коэффициентом отражения на верхней поверхности. Хотя происходит потеря падающего света, характеристики верхнего GaAs PD сопоставимы с характеристиками GaAs MSM PD в многоцветной структуре из предыдущего исследования ¹².Наконец, зависимость фототоков от мощности была измерена для длины волны 808 нм, как показано на рис. 6 (d). Фототоки линейно увеличивались с увеличением мощности лазера, что свидетельствует о хорошей линейности ФД GaAs с падающим излучением.

На рис. 7 (а) показана схематическая структура нижнего частичного разряда InGaAs при оптическом измерении. Оптические характеристики нижнего фотодиода InGaAs в зависимости от длины волны падающего излучения 808 нм и 1310 нм. Когда мы освещали верхнюю поверхность GaAs PD лазером с длиной волны 808 нм, наблюдался слабый фотоотклик при той же мощности света, что и у GaAs PD, как видно на рис.7 (б). Чувствительность 30 мА / Вт была получена при смещении −1 В, что позволяет предположить, что фотоотклик можно отнести к относительно небольшому количеству фотонов, которые являются непоглощенными фотонами в ФД GaAs. Для лазерного освещения 1310 нм InGaAs PD показал сильный фотоотклик, несмотря на относительно слабые мощности, такие как 1 мкВт, по сравнению с лазером 808 нм, как показано на рис. 7 (c). Сильный фотоотклик можно объяснить соседними длинами волн лазера на краю полосы InGaAs. В результате чувствительность на длине волны 1310 нм оказалась равной 0.47 A / W, что в 15 раз больше, чем у 808 нм. Длина волны 1310 нм может проходить через верхнюю область фотодиода GaAs в нижнюю часть фотодиода InGaAs, несмотря на верхнюю область фотодиода GaAs с размером 1.85 мкм. Кроме того, это значение чувствительности аналогично эталонному InGaAs PD на длине волны 1310 нм, которое составляло 0,53 А / Вт. Это небольшое различие можно в основном объяснить поглощением свободных носителей заряда в легированных слоях и внутренним отражением слоев с различными показателями преломления, отличными от взаимодействия фононов с примесями, дефектами и т. Д. В верхней области фотодиода GaAs ^21,22,23.Как видно на рис. 7 (d), нижний ФД InGaAs показал хорошую линейность для лазерного излучения с длиной волны 1310 нм, что также свидетельствует о хорошей работоспособности ФД InGaAs.

Рис. 7

Исследование характеристик нижних частичных разрядов InGaAs с помощью оптических измерений. ( a ) Схема измерения нижнего частичного разряда InGaAs при электрических характеристиках, ( b ) фотоответы нижнего частичного разряда InGaAs с лазером 808 нм и ( c ) лазером 1310 нм, ( d ) фототоки как функция падающего мощность лазера с лазером 1310 нм.

На рисунке 8 показаны результаты внешней квантовой эффективности (EQE) GaAs и InGaAs p-i-n PD в многоцветных PD в зависимости от длины волны. Нормализованные спектры EQE были получены с использованием измерительной системы K3100 Spectral IPCE, оснащенной источником света Xe мощностью 300 Вт и монохроматором (McScience, Корея). В то время как EQE для GaAs измерялся с калибровочным источником Si-диода со спектральным диапазоном от 400 до 1100 нм, EQE для InGaAs калибровался с помощью InGaAs-диода со спектральным диапазоном от 800 до 1700 нм.Хотя абсолютный EQE не мог быть извлечен из-за ограниченных возможностей измерительного оборудования, этого было достаточно, чтобы показать охват длины волны каждого частичного разряда. ФД GaAs показал рост EQE с увеличением длины волны до края полосы GaAs. Таким образом, максимальное значение EQE наблюдалось на краю полосы GaAs 870 нм. EQE нижнего ФД InGaAs также показал тенденцию, аналогичную тенденции ФД GaAs. Форму спектров EQE можно отнести к отсутствию антиотражающего покрытия (ARC) на поверхности, что приводит к относительно низкому EQE в более коротковолновых областях в обоих PD.Значения EQE для более коротковолновых областей могут быть улучшены за счет комбинации надлежащих методов ARC. Тем не менее, эти результаты ясно подтвердили, что многоцветный ФП может покрывать диапазон длин волн от видимого до ближнего ИК-диапазона в областях поглощения материала, соответственно. Кроме того, рассчитанная чувствительность нижнего фотодиода InGaAs соответствует примерно 45% квантовой эффективности на длине волны 1310 нм. Квантовая эффективность 23% была получена в верхнем фотодиапазоне GaAs на длине волны 808 нм по результатам чувствительности.Эти значения квантовой эффективности значительно улучшены по сравнению с обычными многоцветными фотокамерами благодаря высокому качеству материала и p-i-n структуре ¹². Кроме того, есть много возможностей для дальнейшего улучшения характеристик детектора с точки зрения расчета толщины слоя, эффекта дуги и свойств омического контакта.

Рисунок 8

Измерение спектральных характеристик сформированных многоцветных ФД. Спектр EQE изготовленных GaAs PD и InGaAs PD в многоцветной структуре в зависимости от длин волн света.

Для исследования поведения поглощения многоцветных ФД было смоделировано распределение оптической интенсивности в многоцветной структуре ФД, как показано на рис. 9. На нем показано распределение оптической интенсивности как функция длины волны падающего света для ФД на основе GaAs и InGaAs PD со связующим слоем Y ₂ O ₃. Падающий свет ниже 870 нм от края поглощения GaAs значительно поглощается в верхней области фотодиода; небольшое количество света могло достигнуть внутренней области InGaAs.За пределами края поглощения GaAs наблюдалось слабое поглощение в верхней области p-InP, которое не может вносить вклад в фототок. Однако длинноволновая область выше 920 нм края поглощения InP в основном поглощается в собственной области InGaAs. Более того, все еще остается значительное количество проходящего света, который достигает контактного слоя n-InGaAs. Следует отметить сильный фотоотклик на длине волны 1310 нм, который определенно согласуется с этим моделированием интенсивности. Эти результаты также предполагают, что улучшение характеристик детектора будет дополнительно оптимизировано за счет оптимизации толщины слоя и облегчения ARC.

Рисунок 9

Моделирование распределения оптической интенсивности для многоцветной структуры PD.

Наконец, чтобы проверить возможность одновременного обнаружения фотонов с разными энергиями, мы выполнили измерение на двух длинах волн с изменением смещения, как показано на рис. 10 (а). Смещение в диапазоне от -1 В до 1 В было приложено к фотокамерам GaAs и InGaAs одновременно с p-легированным слоем в качестве общей земли. На рис. 10 (б, в) показаны фотоответы при 620 нм и 1310 нм соответственно.Эти измерения были получены при неизвестной мощности лазера. В то время как сплошной и открытый символы представляют ток при темновом токе ( I _темный) и ток при освещении ( I _{освещении}). Все верхние GaAs и нижние InGaAs ФП явно генерировали фототоки для сигнала 620 нм, падающего из волокна. Освещение I / I _dark GaAs PD показало 10 ⁴ порядков величины при −0,5 В, что можно четко различить по сравнению с освещением InGaAs PD на длине волны 620 нм.С другой стороны, на длине волны 1310 нм GaAs PD не мог обнаруживать фотоны, тогда как InGaAs PD показал высокую освещенность I / I _dark на 10 ³ порядков. Кроме того, были продемонстрированы характеристики переключения многоцветных PD, как показано на рис. 10 (d, e). Когда оба ЧР были измерены при -0,1 В, входными сигналами управляли путем включения / выключения с точки зрения падения различных длин волн. Эти результаты показали, что при одновременном обнаружении нет взаимных помех между верхним PD GaAs и нижним PD InGaAs, поскольку сигналы будут выборочно обрабатываться в схемах считывания (ROIC).Электрически независимый доступ для обнаружения двух цветов был успешно продемонстрирован с помощью монолитной интеграции.

Рисунок 10

Исследование одновременного детектирования верхних ЧР GaAs и нижних ЧР InGaAs с независимым приложением смещения ( a ) Схема измерения ЧР верхних GaAs и нижних InGaAs для тестов одновременного обнаружения, ( b ) фотоответы GaAs и InGaAs PD с лазером 638 нм и ( c ) 1310 нм, ( d ) характеристиками переключения при −0.1 В с неопределенной мощностью лазера для 638 нм и ( e ) 1310 нм.

Многие исследователи сообщили о различных методах формирования многоцветных PD, таких как объемная эпитаксия, склеивание, трансферная печать и упаковка, как показано в таблице 1 ^8,12,13,24. Мы оценили пять показателей качества PD, включая качество материала, вертикальное выравнивание, плотность пикселей, формирование массива и свободу выбора длины волны. Даже без метода эпитаксии предыдущие методы соединения имеют недостатки с точки зрения вертикального выравнивания и формирования массива.В отличие от этих методов, в предлагаемых многоцветных ФД могут быть достигнуты превосходные характеристики увеличения плотности пикселей и формирования массива. Кроме того, дополнительное снижение затрат может быть получено за счет использования технологий вторичной переработки подложки ¹⁶.

Таблица 1 Контрольный показатель разноцветных PD, когда-либо представленных.

Органические фотодиоды и фототранзисторы для обнаружения инфракрасного излучения: материалы, устройства и приложения

Благодаря своим преимуществам, включая легкую настройку оптических и электрических свойств за счет настройки молекулярной структуры, гибкости и совместимости с низкотемпературным процессом изготовления, использование органических полупроводников (ОСП) в качестве активных слоев показало высокую конкурентоспособность в качестве кандидатов на использование в высокочувствительных органических фотодетекторах (OPD) нового поколения.Инфракрасные (ИК) OPD, чувствительные к освещению с длинами волн выше 780 нм, быстро развивались в последние годы благодаря возможным приложениям, таким как дистанционное управление, ночное видение и визуализация, а также биомедицинский мониторинг. В этом обзоре, после краткой иллюстрации механизмов, мы суммируем недавние достижения в области высокоэффективных органических фотодиодов инфракрасного излучения (OPDI) и органических фототранзисторов (OPT). Мы выделим современные протоколы для создания квалифицированных IR OPD, включая новые OSC с превосходными фотоэлектрическими свойствами, оптимизацию процессов изготовления активных слоев и новые архитектуры устройств.После этого мы обсудим инфракрасный детектор органического света как платформу для интегрированных приложений, таких как мониторинг состояния здоровья, спектрометрический анализ и электронные глаза. Этот обзор призван предоставить читателям более глубокое понимание конструкции будущих IR OPD и интегрированных практик на основе IR-OPD.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент.