高品质钻石赋予窄带深紫外光检测功能
发布时间：2023-10-19 10:43:42 阅读数： 157
图 1 (a) 钻石 A 在光激发下发生的主要物理过程示意图。(插图为吸收过程示意图和吸收系数差分光谱。(c) 钻石 A 在 193 纳米脉冲激发下的 PL 光谱。(d) 和 (e) 器件内光激发过剩载流子产生率 G 和稳态载流子的空间分布。所选的三个波长分别为 210 nm、225 nm 和 228 nm。(f) 基于金刚石 A 的光电探测器的实验 EQE 和简化计算的 EQE，并标注了三个选定波长。该简化模型可以很好地解释短波下 EQE 的下降。来源：Compuscript Ltd
《光电科学》（Opto-Electronic Science）杂志新近发表的一篇文章报道了高品质钻石如何增强窄带深紫外光探测能力。
与传统的宽带探测器相比，窄带探测器因其精确的光谱分辨率能力，在各种工业和尖端科学研究领域的应用需求更为迫切。
实现特定波长窄带检测的方法通常有两种。第一种方法是将宽带光电探测器与带通滤波器相结合，这是一种简单有效的方法，但受限于某些波段的滤波器。
第二种方法是设计半导体结构，制造无需滤波器的本征窄带光电探测器。与第一种方法相比，这种方法降低了检测系统的复杂性，确保了良好的检测/成像质量，但对材料和器件的设计提出了更高的要求。
无需滤光片的本征窄带光电探测器在各种工业和科学研究领域越来越受欢迎，近年来已成功应用于可见光和红外光谱范围。然而，在光通信、环境监测、光刻技术和太空探索等领域需求量很大的深紫外（DUV）波长范围内，有关窄带光电探测器的报道却很少。
金刚石作为一种超宽带隙半导体，具有优异的物理和化学特性，是深紫外光检测的理想材料。在其他材料中，增加样品厚度是缩小电荷收集范围的常用方法，但这种方法并不适用于金刚石。
由于金刚石中载流子的高迁移率和载流子捕获效应，大多数基于厚单晶金刚石的光电探测器都表现出宽带响应。因此，调整光谱响应的另一个关键参数是载流子寿命，它被认为是实现窄带光电探测的关键。对金刚石的光学和电学特性进行详细分析，对于实现精确光操纵至关重要。
文章中研究的三种不同的单晶钻石被命名为钻石 A、钻石 B 和钻石 C，它们的位错密度依次增加。有趣的是，基于金刚石 A、B 和 C 的器件在其外部量子效率（EQE）光谱中呈现出明显不同的形状，半最大全宽（FWHM）值分别为 8 nm、31 nm 和 52 nm。
基于钻石 A 的器件具有低位错密度的特点，显示出极窄带响应，峰值集中在大约 228 纳米处。这些器件具有极低的暗电流、高检测率（1013 Jones）和较大的线性动态范围（LDR~118 dB）。
图 1(a) 展示了钻石 A 光电探测过程中发生的关键物理过程，包括光激发、载流子弛豫、辐射重组和电场下的光电导。图 1(b) 显示了金刚石 A 的吸收光谱，证实其缺陷态密度较低。通过分析插图中的微分光谱，计算出钻石 A 的带隙约为 5.486 eV（激子结合能约为 80 meV）。
图 1(c) 显示了 193 纳米脉冲激发下金刚石 A 的光致发光（PL）光谱，其中观察到自由激子的发射异常强烈，表明激子发射是光激发下的主要重组过程。
图 2 (a) 222 纳米准分子灯的照片。(b) 器件的准分子灯成像，像素大小为 65 × 22，尺寸为 500 × 500 μm。(c) 设备的归一化准分子灯光谱和 EQE，可观察到重叠。(d) 汞灯的照片。(e) 汞灯装置的成像。(f) 设备的归一化汞灯光谱和 EQE，仅发现微弱重叠。来源：Compuscript Ltd
制作的窄带探测器可用于成像，以区分不同的光源。图 2(a) 展示了 222 纳米准分子灯的光学照片。图 2(b) 展示了器件与光源（65×22 像素）的清晰成像。图 2(c) 显示了准分子灯的发射光谱和器件的 EQE，其中有重叠区域。
事实证明，222 纳米辐照对人体无害，因此适用于表面消毒和放射治疗。与低压汞灯有关的研究见图 1（d-e），包括光学照片和相应的成像图片。
这种低压汞灯的光谱线主要包括 185 nm、194 nm 和 254 nm（图 2[f]），前两条光谱线会在空气中产生臭氧，危害健康，最后一条光谱线则会对人的皮肤和眼睛造成不可逆的伤害。它通常用于室内杀菌消毒。由于这些光谱线与 EQE 仅有轻微重叠，因此无法对汞灯进行成像。这些结果表明，所制造的窄带探测器能有效区分两种紫外线光源。
总之，所报告的基于金刚石 A 的光检测器是迄今为止检测波长最短、EQE 峰值最窄的光检测器。其潜在应用已通过初步成像得到证实。未来，还可以通过制造阵列器件和优化器件结构来进一步提高该探测器的实际性能。另一方面，钻石 A 的窄带响应使其有别于其他钻石，这表明对钻石进行光谱响应测试是鉴别其质量的可行方法。
参考资料
Lemin Jia et al, 8-nm narrowband photodetection in diamonds, Opto-Electronic Science (2023). DOI: 10.29026/oes.2023.230010
