得益于來(lái)自人眼桿狀細(xì)胞方面的靈感，聚焦載流子增強(qiáng)傳感器實(shí)現(xiàn)了將大面積高效吸收層與納米探測(cè)機(jī)制相結(jié)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(cè)器已在許多應(yīng)用中發(fā)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(cè)器已經(jīng)成為不可或缺的工具。人們對(duì)紅外探測(cè)技術(shù)的研究從未止步，研究人員始終在嘗試使用更多的材料來(lái)探索不同的紅外探測(cè)方法[1]。紅外探測(cè)技術(shù)方面取得的穩(wěn)步進(jìn)展不斷要求更好、更靈敏的探測(cè)器來(lái)滿足應(yīng)用需求，甚至需要終極的光子傳感器——單光子探測(cè)器。
單光子探測(cè)器（SPD）是一種超低噪聲器件，增強(qiáng)的靈敏度使其能夠探測(cè)到光的最小能量量子——光子。單光子探測(cè)器可以對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行探測(cè)和計(jì)數(shù)，在許多可獲得的信號(hào)強(qiáng)度僅為幾個(gè)光子能量級(jí)的新興應(yīng)用中，單光子探測(cè)器可以一展身手。利用類似于人眼桿狀細(xì)胞的光探測(cè)機(jī)理，美國(guó)西北大學(xué)和伊利諾斯州大學(xué)的研究小組已經(jīng)開發(fā)出了紅外單光子聚焦載流子增強(qiáng)傳感器（FOCUS）。該裝置有望在生物光子學(xué)、醫(yī)學(xué)影像、非破壞性材料檢查、國(guó)土安全與監(jiān)視、軍事視覺與導(dǎo)航、量子成像以及加密系統(tǒng)等方面取得廣泛應(yīng)用。
紅外探測(cè)的挑戰(zhàn)
紅外探測(cè)器面臨的最大挑戰(zhàn)在于創(chuàng)建一個(gè)具有足夠高信噪比的裝置。為做到這一點(diǎn)，探測(cè)器應(yīng)當(dāng)具有以下特點(diǎn)：能夠有效地吸收某一特定波長(zhǎng)的光、噪聲能量應(yīng)當(dāng)?shù)陀谛盘?hào)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(duì)于紅外單光子探測(cè)器來(lái)講，這些要求更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)閱喂庾拥男盘?hào)能量小于1阿焦（1阿焦=10-18焦），將波長(zhǎng)增加到長(zhǎng)波紅外（LWIR）以及遠(yuǎn)紅外（FIR）波段后，單個(gè)光子具有的能量會(huì)更低，這會(huì)引發(fā)更多的問題。
此外，如果要在任何波段實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)相當(dāng)。因此，在長(zhǎng)波紅外和遠(yuǎn)紅外波段，器件的尺寸在幾微米到幾十微米的尺度內(nèi)。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(zhǎng)較長(zhǎng)，這使得低噪聲、高效率的長(zhǎng)波紅外單光子探測(cè)器的制作非常困難。
源自人眼桿狀細(xì)胞的靈感
隨著人們對(duì)單光子紅外探測(cè)器的不懈研究，目前已經(jīng)出現(xiàn)了專門的p-i-n探測(cè)器、雪崩光電探測(cè)器（APD）、單電子晶體管探測(cè)器以及超導(dǎo)（邊緣轉(zhuǎn)換）探測(cè)器。在這些探測(cè)器中，雪崩光電探測(cè)器是無(wú)需低溫冷卻的固態(tài)單光子探測(cè)器的首選。但是，兼容紅外的雪崩光電探測(cè)器面臨許多問題，包括由雪崩增益統(tǒng)計(jì)性質(zhì)導(dǎo)致的噪聲增長(zhǎng)、隨機(jī)觸發(fā)的后脈沖、以及在所需的強(qiáng)電場(chǎng)下隧穿造成的暗電流的增長(zhǎng)[2]。因此，雪崩光電探測(cè)器的應(yīng)用僅限于一些同步系統(tǒng)，并且這些系統(tǒng)具有特別的猝熄電路，允許在極短的時(shí)間內(nèi)施加高擊穿電壓。
為了克服固態(tài)單光子探測(cè)器所面臨的問題，研究小組從本質(zhì)上對(duì)現(xiàn)有的單光子探測(cè)器進(jìn)行了研究。由于具備一種稱為桿狀細(xì)胞的特定光敏細(xì)胞，使人眼具有探測(cè)單光子的能力[3]。桿狀細(xì)胞對(duì)弱光下的灰度視覺十分敏感，這主要是因?yàn)樗鼈兏缓环N叫做視網(wǎng)膜紫質(zhì)的特殊分子[4]。桿狀細(xì)胞的結(jié)構(gòu)以及視網(wǎng)膜紫質(zhì)在細(xì)胞中的排列能夠提供龐大的吸收體積，進(jìn)而能夠有效地俘獲光子。此外，視網(wǎng)膜紫質(zhì)分子與其他一系列催化劑和信使分子一起，在信號(hào)被神經(jīng)系統(tǒng)的噪聲降質(zhì)之前的放大過程中，發(fā)揮著重要作用。研究人員試圖復(fù)制這種人類視覺系統(tǒng)的工作原理，來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的單光子探測(cè)。
FOCUS系統(tǒng)開發(fā)
盡管納米尺度特征可以提供諸如超低電容以及量子效應(yīng)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(duì)光進(jìn)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(lái)模仿桿狀細(xì)胞的結(jié)構(gòu)進(jìn)行工作（見圖1）。
圖1. 該圖為聚焦載流子增強(qiáng)探測(cè)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?yún)^(qū)以及大面積的厚吸收體積
FOCUS的工作原理是在電子領(lǐng)域復(fù)制人眼桿狀細(xì)胞的工作機(jī)理：當(dāng)施加適當(dāng)偏壓時(shí)，F(xiàn)OCUS納米注入?yún)^(qū)內(nèi)的電子在內(nèi)部電場(chǎng)的作用下，將向大面積的吸收區(qū)運(yùn)動(dòng)。然而，在納米注入?yún)^(qū)的末端會(huì)形成勢(shì)壘阻礙電子的這種運(yùn)動(dòng)，并且會(huì)擋住大多數(shù)電子。當(dāng)一個(gè)光子入射到大面積的厚吸收區(qū)時(shí)，它將以極高概率產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)，空穴在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下會(huì)立即被吸引到納米注入?yún)^(qū)。當(dāng)光激發(fā)的空穴到達(dá)納米注入?yún)^(qū)時(shí)，將導(dǎo)致勢(shì)壘降低。由于納米勢(shì)壘的電容極低，所以它對(duì)總電荷的任何變化都極為敏感，即便只有一個(gè)額外的空穴，電壓也會(huì)顯著降低。勢(shì)壘的降低將允許更多的電子到達(dá)吸收區(qū)，并且隨著電勢(shì)的改變，注入電子的數(shù)量會(huì)呈指數(shù)增長(zhǎng)。因此，如果具有適當(dāng)?shù)膬?nèi)部增益機(jī)理和能帶結(jié)構(gòu)，F(xiàn)OCUS在俘獲到一個(gè)單一光子的情況下，就能使注入電流發(fā)生顯著改變。
器件制作與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
研究人員采用三維非線性有限元方法（FEM）進(jìn)行數(shù)值模擬，來(lái)設(shè)計(jì)層結(jié)構(gòu)和FOCUS器件架構(gòu)，然后，采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積的方法生長(zhǎng)外延層，利用電子束刻蝕的方法構(gòu)造晶片的納米尺度特征。電子束蒸發(fā)器用于將金屬沉積在這些納米特征上，金屬膜同時(shí)還在接下來(lái)的刻蝕步驟中起到硬質(zhì)掩膜的作用：首先對(duì)特征進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕，然后進(jìn)行濕法刻蝕，最終形成納米注入?yún)^(qū)。納米注入?yún)^(qū)周圍的空白區(qū)充滿鈍化以及平化藥劑（聚酰亞胺或氧化物），以改善表面質(zhì)量和結(jié)構(gòu)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(jìn)行了測(cè)試。這些器件的目標(biāo)應(yīng)用主要在近紅外波段。在一套定制的準(zhǔn)直系統(tǒng)中，研究人員對(duì)暗電流、光電流、光增益、空間靈敏度、帶寬、瞬態(tài)響應(yīng)以及額外噪聲等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。被測(cè)FOCUS器件均在低于2V的偏壓下工作。
在暗電流以及光電流測(cè)試中，研究人員使用準(zhǔn)直的連續(xù)波激光器作為光源。測(cè)量結(jié)果表明：FOCUS器件的光學(xué)響應(yīng)得到了顯著提高，同時(shí)暗電流的值與目前最先進(jìn)的雪崩光電探測(cè)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(wěn)定增益，這比現(xiàn)有的其他單光子探測(cè)器提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，F(xiàn)OCUS探測(cè)器所必需的偏置電壓要比雪崩光電探測(cè)器所需的偏置電壓（可以高達(dá)50V）低很多。對(duì)于空間靈敏度的測(cè)量，研究人員使用了一套自動(dòng)裝置，測(cè)量結(jié)果顯示：FOCUS探測(cè)器能夠收集到距納米注入?yún)^(qū)6～7祄處的載流子，這一結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)了研究人員之前的理論模擬預(yù)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(cè)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(duì)FOCUS探測(cè)器的帶寬進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)帶寬對(duì)表面質(zhì)量具有明顯的依賴關(guān)系，這與具有極高表體比的納米器件的預(yù)期相符。非鈍化器件的帶寬可達(dá)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(shù)，該值超過3GHz。雪崩光電探測(cè)器由于載流子在深勢(shì)阱中壽命較長(zhǎng)，以及相關(guān)的后脈沖會(huì)導(dǎo)致帶寬受限；與之相比，F(xiàn)OCUS探測(cè)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(jìn)行權(quán)衡。與帶寬結(jié)果相關(guān)聯(lián)，研究人員還使用超快飛秒脈沖激光器以及光學(xué)衰減器進(jìn)行了瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)量。取平均之后，便能區(qū)分出對(duì)應(yīng)于五光子光電效應(yīng)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(duì)FOCUS器件進(jìn)行設(shè)計(jì)以及數(shù)值模擬。我們相信：隨著人們對(duì)納米尺度效應(yīng)的進(jìn)一步理解、改進(jìn)相應(yīng)的制作步驟，以及將加工過程拓展到長(zhǎng)波紅外和遠(yuǎn)紅外波段，F(xiàn)OCUS器件將得到進(jìn)一步改善。
