摘要：以甲烷为代表的可燃碳氢化合物气体是看不见的、无味的、难以察觉的，但它们对人类安全和环境构成重大危害。因此，监测这些气体对于管理和减轻潜在危害至关重要。中波红外是气体等目标红外光谱探测的理想波段。然而，中波红外探测器通常由窄带隙半导体构成，往往面临严重的噪声问题
以甲烷为代表的可燃碳氢化合物气体是看不见的、无味的、难以察觉的，但它们对人类安全和环境构成重大危害。因此，监测这些气体对于管理和减轻潜在危害至关重要。中波红外是气体等目标红外光谱探测的理想波段。然而，中波红外探测器通常由窄带隙半导体构成，往往面临严重的噪声问题，需要低温操作。这一问题显著增加了目标传感系统的体积和功耗。
据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院上海技术物理研究所（简称“上海技物所”）胡伟达研究员、苗金水研究员和胡淑红研究员的科研团队提出了一种基于Ⅲ-Ⅴ族铟砷（InAs）基的室温中波红外光电探测器，并基于此开发了紧凑、低功耗的非色散红外（NDIR）探测系统，实现了高灵敏、快速的气体探测。该研究为基于光伏器件高灵敏NDIR系统的设计和高度集成化的传感硬件提供了全新范式。这项研究以“Ultrasensitive and Fast Gas Detection Based on Room-Temperature Indium Arsenide Mid-Wavelength Infrared Photodetectors”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。
研究团队借助液相外延（LPE）生长技术设计了一种基于Ⅲ-Ⅴ族InAs基材料的室温中波红外光伏型器件，通过在能带中引入势垒阻挡层等方式抑制器件噪声，有效提升器件室温性能。基于InAs室温光电探测器的材料制备如图1所示，基于InAs的室温光电探测器的设计如图2所示。
图1 用于气体探测的InAs室温光电探测器的材料制备
图2 基于InAs的室温光电探测器的设计
随后，研究团队对基于InAs的光电探测器在室温下的性能进行了研究，相关研究结果如图3所示。研究团队对基于InAs的光电探测器与其他室温中波红外探测器的性能进行比较（如图3f），基于InAs的光电探测器在目标光谱范围表现出卓越的探测能力，并保持快速响应。该基于InAs的光电探测器是高灵敏和紧凑型气体传感系统的理想选择。研究团队讨论了材料组分、器件结构与掺杂浓度等参数优化方法，改良了材料生长与器件制备工艺。该探测器的峰值比探测率达到了2.1×10¹⁰ cm·√Hz·W⁻¹，响应速度小于40 ns。
图3 基于InAs的光电探测器在室温下的性能
接着，围绕该探测器，研究团队开发了专门的红外气体传感器及NDIR系统。研究团队使用该NDIR气体传感器系统，构建了可燃碳氢化合物气体传感系统模型。该系统由InAs NDIR传感器和电路组成，NDIR传感器的示意图如图4a所示。该系统由三个核心组件构成：光源、气体通道以及与单独的窄带通滤光片配对的红外探测器。基于InAs的NDIR传感系统的性能如图所示，对可燃烃气体实现了ppm量级的快速探测（甲烷低于1 ppm，乙炔低于700 ppb）。
图4 基于InAs的NDIR传感系统的性能
最后，研究团队对该基于InAs的NDIR传感系统与不同的技术和传感器进行了比较，相关结果如图5a所示。功耗和电池续航能力对于小型便携式系统至关重要，尤其是手持式（如图5b）。该探测器的优异性能赋予了系统架构较好的通用性，能够满足各种生产活动和日常生活需求。
图5 基于InAs的NDIR传感系统的评估
综上所述，这项研究设计的基于InAs的光电探测器是NDIR气体传感系统的关键组件。通过优化LPE生长技术并在器件设计中集成InAsSbP屏障层，可以有效抑制噪声问题。由于InAs/InAsSbP异质结区域中的内置磁场，基于InAs的光电探测器在零偏压下表现出出色且快速的室温响应。因此，该基于InAs的光电探测器成为目标光谱范围（3–3.3 μm）的高性能气体传感系统的最佳选择之一。该InAs NDIR气体传感系统的检测限低于1 ppm，即使在低灵敏度下整个系统也能保持快速响应；此外，该系统还有效降低了功耗。该系统将面向多种应用场景，并能够组成庞大的探测和监控网络，以满足生产活动和日常生活的需求。该InAs NDIR气体传感系统可作为基于光伏探测器的NDIR气体传感系统的新范式，基于InAs的光电探测器在气体探测和监测应用领域光明前景。
论文链接：来源：灸草堂
