半导体紫外线探测器技术

紫外线探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一军民两用光电探测技术。早在20世纪50年代，人们就开始了对紫外光探测技术的研究。继红外对抗和反对抗技术的日趋成熟，紫外对抗和反对抗技术也越来越受到军方的重视。20世纪80年代后期国外已开始紫外技术的军用研究，并已取得一定的进展。美海军C-130S直升机和P-3S运输机上就有世界上第一台紫外线告警器AAR-47，并在1991年海湾战争中投入实战。在医学、生物学方面，特别是近几年在皮肤病诊断方面，紫外探测技术有着独特的应用效果。利用紫外探测技术在检测诊断皮肤病时可直接看到病变细节，也可用它来检测癌细胞、微生物、血色素、红血球、白血球、细胞核等，这种检测不但迅速、准确，而且直观、清楚。

根据紫外探测过程的机理，紫外探测器可分为热探测器和光子探测器。热探测器是根据入射辐射的热效应引起探测材料某一物理性质变化而工作的一类探测器。探测材料因吸收入射紫外辐射，温度升高，可以产生温差电动势、电阻率变化、自发极化强度变化，或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性质的变化，就能够测量被吸收的辐射功率。紫外光子探测器是利用入射的光子流与探测材料中的电子之间直接相互作用，从而改变电子能量状态的光子效应来制作的一类器件。根据引起的光子效应的大小，可以测量被吸收的光子数。热探测器最大的缺点在于无法避免见光的辐射热效应，因此在实际应用中会有无法避免的背景干扰。随着半导体，尤其是宽禁带半导体材料的研究进展，人们开始考虑对可见光响应极小的本征型紫外光子探测器研制，使得紫外探测器的响应范围仅在“大气日盲区”（<300nm）甚至“外层空间日盲区”（<175nm），大大提高了紫外探测的置信度。

现阶段研究较多的紫外光子探测器，是利用光生伏打效应制成的光伏(PV) 探测器。即对p-n结或p-i-n结加上反向偏压，当结区吸收能量足够大的光子后，反向电流就会增加，类似于光电导现象。这类光伏探测器通常叫做半导体光电二极管，其缺点是量子效率低。除上述简单结型探测器外，还有利用表面势垒作用制成的各种结型探测器，如：金属-氧化物-金属（MSM）点接触二极管和肖特基势垒光电二极管。肖特基型光电探测器包含一个半透明的肖特基接触和一个欧姆接触。肖特基器件一般具有平滑短波区响应光谱，这主要原因是肖特基器件的空间电荷区位于半导体表面，抑制了在p-n结器件中观察到的短波时量子效率的降低，这是肖特基器件的一大优势。

目前用于半导体紫外探测器研究的材料主要有GaN、ZnO、金刚石以及SiC。其中GaN是人们研究最多，也相对最成熟的，已有相应的商业化器件。其优点是与AlN形成AlGaN合金后带隙可在3.4~6.2eV间进行调解，理论上讲，利用这种材料研制的本征型紫外探测器的截止波长对应地可以连续从365nm变化到200nm。目前的主要问题是高铝组分AlGaN材料的制备还有一定的难度，尤其是单晶体的制备仍是。ZnO原料易得且带隙可调，是很有前途的紫外探测材料，目前最主要的问题是高载流子浓度的p型材料仍未获得，而且该材料的耐酸碱腐蚀程度相对较差。金刚石具有高达5.5eV的带隙，也是很受关注的紫外探测材料，但是由于制备成本相对较高，而且材料质量仍有待提高，目前研究较少。SiC具有多种多型，其带隙可以从3C构型的2.2eV变化至2H构型的3.4eV，可以满足“大气日盲区”型紫外探测器的响应范围。4H构型SiC带隙为3.2eV，对应的截止波长为380nm，因此可以用于制作日盲型紫外波段的探测器;6H构型SiC带隙为3.0eV，对应的截止波长为412nm，因此可以用于制作全紫外波段的探测器。SiC材料最大的优点是能够在高温环境下工作，且抗辐射、耐腐蚀，所制作的器件具有响应快、效率高的特点，因此受到人们的广泛关注。