二维干货：二维材料光电探测器的性能指标！

由于其优越的光电特性，基于二维材料的光电探测器在光电响应率、探测性能、增益和响应速度方面表现出显著的改进。这些材料在集成电路和光集成电路中的应用，已经导致多种多样且有效的片上应用，包括先进成像、传感器内存、测距和光谱识别。本节将从性能评估指标入手介绍基于二维材料的，希望对该领域的工作人员有用。

暗电流

暗电流是指器件在无光条件下的电流。一般来说，暗电流主要来自两个方面。第一是PN结的耗尽层中载流子的产生和复合，第二是材料生长过程中晶体表面缺陷形成的漏电流。

噪声

一般来说，为了确定光电探测器工作频率下噪声的大小，会提供噪声电流密度与频率的图表。光电探测器的噪声谱主要由闪烁噪声（1/f）、热噪声（I_th）、击穿噪声（I_sh）和产生-复合噪声（I_gr）组成。总噪声谱可以计算为：

闪烁噪声是频率相关的导电率波动。产生-复合噪声源于由于产生和复合过程中自由载流子密度的波动。

热噪声由电子的热激发引起，是宽带特性的噪声，由电流在电导体中的电子能量不规则波动生成。其有效电压的均方根值的平方与带宽、电导体电阻和绝对温度直接相关。对于电阻和晶体管（如双极和场效应晶体管），由于它们的电阻值不为零，这种噪声效应不能忽视。热噪声的均方根值由公式给出：

其中k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，R是导致噪声的电阻性元件源，B是噪声带宽。

击穿噪声由于生成的载流子的随机激发和捕获引起，主要在半导体器件（如肖特基二极管、PN结和隧道结）中显著。与热噪声不同，击穿噪声主要取决于电流的流动，特别是在PN隧道结器件中。击穿噪声的均方根值由公式给出：

其中B是噪声带宽，I_d是暗电流。

此外，在涉及电荷载流子捕获的光电导体器件中，产生-复合噪声（I_gr）可能是噪声的主要来源，其计算公式为：

其中I (λ)是稳态输出光电流。

噪声等效功率

噪声等效功率（NEP）确定了每根据光电探测器带宽的平方根检测到的最小功率，其定义为信噪比（SNR）等于1时的光功率。可以使用以下公式获取NEP：

其中I_noise为噪声电流谱密度。由于存在噪声电流，当辐射强度很小以至于完全被噪声淹没时，光电探测器无法区分辐射信号。

比探测率

比探测率是光电探测器的最重要的性能指标，指的是在光功率为1 W且噪声带宽为1 Hz时，交流信号的信噪比（SNR）比探测率可以通过以下公式获取：

单位为cm Hz^0.5 W⁻¹或Jones，其中A为光电探测器的有效面积。比探测率越大，光电探测器的检测能力越强。在比较不同面积的光电探测器时，比探测率是更为合适的评估指标。

量子效率

量子效率可以分为内部量子效率（IQE）和外部量子效率（EQE），是半导体光电探测器的重要特性参数。内部量子效率η_in定义为吸收入射光子能量的电子-空穴对数。其表达式为：

其中α(λ)为相应波长λ的吸收系数，W为吸收层厚度。因此，材料的吸收系数越大或吸收层越厚，光电探测器的量子效率就越高。然而，在实际探测器中，光线在达到吸收区域之前会通过一定厚度的重掺杂接触区域。这种重掺杂接触区域会导致部分光子的损失。此外，器件表面的反射也会导致部分入射光的损失。基于上述因素，外部量子效率定义如下：

其中d为前接触层的厚度，R_f为探测器的表面反射率。根据光电导体的工作原理，其中一个光生载流子将被活性层材料捕获，而另一个载流子将在电路中循环，直到与另一类型的载流子结合。因此，光电导体将产生增益，使其外部量子效率达到100%以上。

响应度

在光电探测器中，光子入射到吸收区域会产生光诱导载流子。这些载流子在耗尽区中的建立电场作用下漂移到光电探测器输出端的两极，形成光电流。生成的光电流密度（I_P）与单位入射光功率密度（P_r）的比值定义为响应度。通常单位为A W⁻¹，可以表示为：

响应速度

光电探测器的响应速度可以通过光生成载流子的过渡时间来表示，即上升时间和下降时间。上升时间和下降时间定义为光电流从稳定值的10%上升到90%，或从90%下降到10%所需的时间。为了实现光电探测器的最佳响应速度，需要考虑吸收层厚度和光电探测器的面积。例如，增加光电探测器材料吸收层的厚度可以有效减少耗尽区中的平行板电容，并提高探测器的量子效率。然而，增加吸收层厚度也会导致耗尽区宽度的增加，从而使光生成载流子的过渡时间变长，降低探测器的响应速度。

小结

综上所述，基于二维材料的光电探测器展现出卓越的性能优势，包括优异的光电响应性能、高特定检测度、优良的量子效率和快速的响应速度。噪声等效功率（NEP）和比探测率作为关键性能指标，直接影响了探测器的最小检测能力和信噪比。此外，响应度和响应速度也决定了探测器在快速应用中的表现优劣。通过优化材料吸收层厚度和器件结构设计，可以有效提升探测器的量子效率和响应速度，为高性能光电应用提供了强有力的支持和潜力。

参考文献：Yu Wang, Luyao Mei, Yun Li, Xue Xia, Nan Cui, Gen Long, Wenzhi Yu, Weiqiang Chen, Haoran Mu, Shenghuang Lin, “Integration of two-dimensional materials based photodetectors for on-chip applications”, Physics Reports, 1081, 1-41 (2024).