紅外探測器正瞄準長(cháng)波長(cháng)應用

得益于來(lái)自人眼桿狀細胞方面的靈感，聚焦載流子增強傳感器實(shí)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(jué)范圍的觀(guān)察能力。紅外探測器已在許多應用中發(fā)揮著(zhù)重要作用，特別是在從不同角度觀(guān)察物體的較不明顯特征方面，紅外探測器已經(jīng)成為不可或缺的工具。人們對紅外探測技術(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方法[1]。紅外探測技術(shù)方面取得的穩步進(jìn)展不斷要求更好、更靈敏的探測器來(lái)滿(mǎn)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(gè)光子進(jìn)行探測和計數，在許多可獲得的信號強度僅為幾個(gè)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(lèi)似于人眼桿狀細胞的光探測機理，美國西北大學(xué)和伊利諾斯州大學(xué)的研究小組已經(jīng)開(kāi)發(fā)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(xué)、醫學(xué)影像、非破壞性材料檢查、國土安全與監視、軍事視覺(jué)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(chuàng )建一個(gè)具有足夠高信噪比的裝置。為做到這一點(diǎn)，探測器應當具有以下特點(diǎn)：能夠有效地吸收某一特定波長(cháng)的光、噪聲能量應當低于信號能量、能夠與具有類(lèi)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(lái)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(cháng)增加到長(cháng)波紅外（LWIR）以及遠紅外（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(wèn)題。

此外，如果要在任何波段實(shí)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(cháng)相當。因此，在長(cháng)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(cháng)較長(cháng)，這使得低噪聲、高效率的長(cháng)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(zhù)人們對單光子紅外探測器的不懈研究，目前已經(jīng)出現了專(zhuān)門(mén)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(wú)需低溫冷卻的固態(tài)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(wèn)題，包括由雪崩增益統計性質(zhì)導致的噪聲增長(cháng)、隨機觸發(fā)的后脈沖、以及在所需的強電場(chǎng)下隧穿造成的暗電流的增長(cháng)[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(shí)間內施加高擊穿電壓。

為了克服固態(tài)單光子探測器所面臨的問(wèn)題，研究小組從本質(zhì)上對現有的單光子探測器進(jìn)行了研究。由于具備一種稱(chēng)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(jué)十分敏感，這主要是因為它們富含一種叫做視網(wǎng)膜紫質(zhì)的特殊分子[4]。桿狀細胞的結構以及視網(wǎng)膜紫質(zhì)在細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，在信號被神經(jīng)系統的噪聲降質(zhì)之前的放大過(guò)程中，發(fā)揮著(zhù)重要作用。研究人員試圖復制這種人類(lèi)視覺(jué)系統的工作原理，來(lái)實(shí)現有效的單光子探測。

FOCUS系統開(kāi)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(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)模仿桿狀細胞的結構進(jìn)行工作（見(jiàn)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