MSM-PDs由于其本身结构固有的高速、低电容、高响应率等特性,受到科研人员极大的关注,并且MSM-PD从材料生长到器件工艺全部过程可以与高速晶体管-集成电路工艺相容,具有工艺简单、易实现探测器阵列的特点,是一种非常有应用前景的光电探测器。
半导体材料是光电器件中最核心的部分,不同的半导体材料具有不同的物理特性,如迁移率、光学吸收、电阻率、热特性和机械特性等,并且它们在制备工艺、成本等方面也表现迥异。过去的几十年间,研究者们针对不同半导体材料制备的MSM-PDs开展了一系列系统深入的研究,以满足不同应用的需求。较早研究的GaAs、Si/Ge类MSM-PDs主要用于探测可见及近红外波段的光信号,为了使工作波段向长波段扩展,人们研究了组分可调谐的InGaAsMSM-PDs。之后,随着宽禁带GaN、ZnO、SiC等新兴材料的快速发展,MSM-PDs的研究逐渐向短波(即日盲紫外)探测波段拓展。近年来,基于石墨烯等二维材料的MSMPDs成为了研究的热门方向,它们的响应速度可以与传统的GaAs类器件相媲美,有望取代传统材料在通信领域获得广泛应用。概括来看,针对MSMPDs的研究主要包含降低暗电流、提高响应速度、改善响应率三个方面。研究者们提出使用势垒增强层、非对称电极等手段来降低器件暗电流。通过调节金属叉指电极的指宽和指间距参数则可以实现响应速度的优化。另外,金属电极对活性区域遮蔽带来的效率损失可以通过使用透电极、表面等离激元模式激发、光学谐振腔等一些光学操控手段来改善,从而实现响应率的提高。此外,基于金属微纳结构的热载流子光电探测器也引起了关注,因为它们打破了传统半导体光电探测器受材料禁带宽度的限制,通过激发表面等离激元模式,实现了较宽带隙半导体在红外波段的检测。(www.daowen.com)
总而言之,MSM-PDs在材料、结构及性能等多个方面均取得了非常大的进展。长远看来,高速率、高响应率、多元阵列、集成电路化以及低成本仍是MSM-PDs光电探测器的主要发展方向。此外,随着应用的多元化涌现,研究者们应当针对具体的应用去开发相应的MSM-PDs器件,以实现实验室成果向市场化商品的快速转化。例如,导弹制导、火焰探测等特殊应用对器件在高温、高功率、耐恶劣环境等条件下的性能提出了更加极端的需求,而大多数探测器无法承受高温。提升器件的耐高温能力是MSM-PDs所面临的一项重要难题。我们也期待一些新兴的半导体材料能够在性能上更加优异,在成本上更加低廉,从而在未来有希望取代传统材料去制备MSM-PDs器件,推动光电子器件领域的发展迈向新的纪元。同时,金属微纳结构的超常光捕获能力及其热电子发射机制在MSM-PD中的应用值得研究者们给予更高的关注。
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