發布日期：2022-04-17 點擊率：109
得益于來自人眼桿狀細胞方面的靈感，聚焦載流子增強傳感器實現了將大面積高效吸收層與納米探測機制相結合。
紅外光譜通常能提供超出人眼視覺范圍的觀察能力。紅外探測器已在許多應用中發揮著重要作用，特別是在從不同角度觀察物體的較不明顯特征方面，紅外探測器已經成為不可或缺的工具。人們對紅外探測技術的研究從未止步，研究人員始終在嘗試使用更多的材料來探索不同的紅外探測方法[1]。紅外探測技術方面取得的穩步進展不斷要求更好、更靈敏的探測器來滿足應用需求，甚至需要終極的光子傳感器——單光子探測器。
單光子探測器（SPD）是一種超低噪聲器件，增強的靈敏度使其能夠探測到光的最小能量量子——光子。單光子探測器可以對單個光子進行探測和計數，在許多可獲得的信號強度僅為幾個光子能量級的新興應用中，單光子探測器可以一展身手。利用類似于人眼桿狀細胞的光探測機理，美國西北大學和伊利諾斯州大學的研究小組已經開發出了紅外單光子聚焦載流子增強傳感器（FOCUS）。該裝置有望在生物光子學、醫學影像、非破壞性材料檢查、國土安全與監視、軍事視覺與導航、量子成像以及加密系統等方面取得廣泛應用。
紅外探測的挑戰
紅外探測器面臨的最大挑戰在于創建一個具有足夠高信噪比的裝置。為做到這一點，探測器應當具有以下特點：能夠有效地吸收某一特定波長的光、噪聲能量應當低于信號能量、能夠與具有類似低噪聲特性的讀出電子元件相耦合。對于紅外單光子探測器來講，這些要求更具挑戰性，因為單光子的信號能量小于1阿焦（1阿焦=10-18焦），將波長增加到長波紅外（LWIR）以及遠紅外（FIR）波段后，單個光子具有的能量會更低，這會引發更多的問題。
此外，如果要在任何波段實現有效吸收，必須要求吸收層（垂直于光傳輸方向）的寬度與所吸收的特定波長相當。因此，在長波紅外和遠紅外波段，器件的尺寸在幾微米到幾十微米的尺度內。然而，要想將電子噪聲降到低于光子能量，器件的尺寸要降到納米尺度。由于單光子能量極低并且波長較長，這使得低噪聲、高效率的長波紅外單光子探測器的制作非常困難。
源自人眼桿狀細胞的靈感
隨著人們對單光子紅外探測器的不懈研究，目前已經出現了專門的p-i-n探測器、雪崩光電探測器（APD）、單電子晶體管探測器以及超導（邊緣轉換）探測器。在這些探測器中，雪崩光電探測器是無需低溫冷卻的固態單光子探測器的首選。但是，兼容紅外的雪崩光電探測器面臨許多問題，包括由雪崩增益統計性質導致的噪聲增長、隨機觸發的后脈沖、以及在所需的強電場下隧穿造成的暗電流的增長[2]。因此，雪崩光電探測器的應用僅限于一些同步系統，并且這些系統具有特別的猝熄電路，允許在極短的時間內施加高擊穿電壓。
為了克服固態單光子探測器所面臨的問題，研究小組從本質上對現有的單光子探測器進行了研究。由于具備一種稱為桿狀細胞的特定光敏細胞，使人眼具有探測單光子的能力[3]。桿狀細胞對弱光下的灰度視覺十分敏感，這主要是因為它們富含一種叫做視網膜紫質的特殊分子[4]。桿狀細胞的結構以及視網膜紫質在細胞中的排列能夠提供龐大的吸收體積，進而能夠有效地俘獲光子。此外，視網膜紫質分子與其他一系列催化劑和信使分子一起，在信號被神經系統的噪聲降質之前的放大過程中，發揮著重要作用。研究人員試圖復制這種人類視覺系統的工作原理，來實現有效的單光子探測。
FOCUS系統開發
盡管納米尺度特征可以提供諸如超低電容以及量子效應等有吸引力的特性，但它們的填充因子較低，從而妨礙了其對光進行有效的吸收。FOCUS傳感器除了具有納米尺度的傳感特征外，還利用較大的吸收體積來模仿桿狀細胞的結構進行工作（見圖1）。
圖1. 該圖為聚焦載流子增強探測器（FOCUS）裝置的掃描電子顯微成像以及橫截面圖，顯示了極為靈敏的納米注入區以及大面積的厚吸收體積
FOCUS的工作原理是在電子領域復制人眼桿狀細胞的工作機理：當施加適當偏壓時，FOCUS納米注入區內的電子在內部電場的作用下，將向大面積的吸收區運動。然而，在納米注入區的末端會形成勢壘阻礙電子的這種運動，并且會擋住大多數電子。當一個光子入射到大面積的厚吸收區時，它將以極高概率產生一個電子-空穴對，空穴在內建電場的作用下會立即被吸引到納米注入區。當光激發的空穴到達納米注入區時，將導致勢壘降低。由于納米勢壘的電容極低，所以它對總電荷的任何變化都極為敏感，即便只有一個額外的空穴，電壓也會顯著降低。勢壘的降低將允許更多的電子到達吸收區，并且隨著電勢的改變，注入電子的數量會呈指數增長。因此，如果具有適當的內部增益機理和能帶結構，FOCUS在俘獲到一個單一光子的情況下，就能使注入電流發生顯著改變。
器件制作與實驗結果
研究人員采用三維非線性有限元方法（FEM）進行數值模擬，來設計層結構和FOCUS器件架構，然后，采用金屬有機化學氣相沉積的方法生長外延層，利用電子束刻蝕的方法構造晶片的納米尺度特征。電子束蒸發器用于將金屬沉積在這些納米特征上，金屬膜同時還在接下來的刻蝕步驟中起到硬質掩膜的作用：首先對特征進行反應離子刻蝕，然后進行濕法刻蝕，最終形成納米注入區。納米注入區周圍的空白區充滿鈍化以及平化藥劑（聚酰亞胺或氧化物），以改善表面質量和結構完整性。最后的鍍金屬步驟用于制作電子集成所需的金屬電極。
研究人員制作了直徑從100nm到5祄的圓形FOCUS器件并進行了測試。這些器件的目標應用主要在近紅外波段。在一套定制的準直系統中，研究人員對暗電流、光電流、光增益、空間靈敏度、帶寬、瞬態響應以及額外噪聲等參數進行了測量。被測FOCUS器件均在低于2V的偏壓下工作。
在暗電流以及光電流測試中，研究人員使用準直的連續波激光器作為光源。測量結果表明：FOCUS器件的光學響應得到了顯著提高，同時暗電流的值與目前最先進的雪崩光電探測器相近（見圖2）。在低偏壓條件下，小型FOCUS器件可以獲得超過4000的穩定增益，這比現有的其他單光子探測器提高了幾個數量級。此外，FOCUS探測器所必需的偏置電壓要比雪崩光電探測器所需的偏置電壓（可以高達50V）低很多。對于空間靈敏度的測量，研究人員使用了一套自動裝置，測量結果顯示：FOCUS探測器能夠收集到距納米注入區6～7祄處的載流子，這一結果也進一步證實了研究人員之前的理論模擬預言。
圖2. 電流-電壓特性曲線顯示了直徑為5祄的圓形FOCUS探測器（在室溫下工作，未冷卻）在不同光照條件下的工作性能
研究人員在不同的加工階段對FOCUS探測器的帶寬進行了測試，發現帶寬對表面質量具有明顯的依賴關系，這與具有極高表體比的納米器件的預期相符。非鈍化器件的帶寬可達到400kHz，而某些特殊鈍化器件的帶寬可超過300MHz。然而，帶寬的增加通常伴隨著增益的下降，這意味著增益帶寬積為一常數，該值超過3GHz。雪崩光電探測器由于載流子在深勢阱中壽命較長，以及相關的后脈沖會導致帶寬受限；與之相比，FOCUS探測器并沒有顯示出這種不期望的副作用。
由于不同形式的鈍化之間存在差別，因此可以在增益和帶寬之間進行權衡。與帶寬結果相關聯，研究人員還使用超快飛秒脈沖激光器以及光學衰減器進行了瞬態響應測量。取平均之后，便能區分出對應于五光子光電效應的電脈沖。
研究人員使用定制的非線性FEM模擬程序在近紅外波段對FOCUS器件進行設計以及數值模擬。我們相信：隨著人們對納米尺度效應的進一步理解、改進相應的制作步驟，以及將加工過程拓展到長波紅外和遠紅外波段，FOCUS器件將得到進一步改善。
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