Small:低维材料单光子探测器的进展、机遇及挑战

单光子探测器性能的提升推动着量子通讯、生物医学成像、LiDAR、光学神经形态计算以及空间光通信等技术应用的进一步发展。光子是电磁辐射的一个量子单位,能量可写为E=hc/λ,其中h为普朗克常数,c为光速,λ为波长。单个光子能量约10-19焦耳(可见光),如此小的能量对探测器的灵敏度、量子效率及噪声等性能发起了挑战,特别是在红外波段(波长越长,单个光子能量越小)。传统的薄膜半导体单光子探测器如光电倍增管(PMT)和单光子雪崩光电二极管(SPAD)一直占据着市场的主导地位。高性能单光子探测器正朝着光子数可分辨、宽波段、低工作电压及室温等方向发展。低维材料由于量子尺寸效应发展出了新的探测机理,如二维材料中的弹道雪崩,一维纳米线中的Photogating效应以及零维量子点中的共振隧穿等。这为低维材料单光子探测器的发展提供了机遇,同时也面临着新的挑战。

图1:单光子探测器的发展历程

近期,中科院上海技术物理研究所胡伟达苗金水等人阐述了单光子探测器的最新进展,着重介绍了低维材料中新兴的单光子探测机制,包括弹道雪崩、超导纳米线、Photogating及共振隧穿等,分析指出低维材料(零维量子点、一维纳米线和二维层状材料)单光子探测器面临的挑战,并对低维材料的优势及发展方向进行了讨论。

图2:单光子探测器性能参数对比

论文首先介绍了传统的体材料单光子探测器,包括PMT和SPAD(Si,InGaAs/InP,InGaAs/InAlAs,Ge-on-Si,InSb,HgCdTe等),着重概述了Si和InGaAs/InP单光子雪崩光电探测器的工作机理、关键性能参数及应用场景。紧接着,文章详细综述了新兴的单光子探测机制,如弹道雪崩、超导纳米线、Photogating、共振隧穿等,进一步讨论了低维材料单光子探测器的性能参数及优势,并与传统材料在工作原理、探测波段、工作温度、光增益及响应时间等方面进行了对比和分析。随后,文章总结分析了低维材料由于量子尺寸效应产生的独特性质以及用于单光子探测器的前景。例如:

(1)在零维量子点单光子探测器中,光生载流子被束缚在量子点内部,通过屏蔽栅极电场来实现沟道载流子浓度的调节,这使得光生载流子的本征属性(如自旋)得以保存和利用;

(2)一维垂直纳米线阵列中,由于纳米线的折射率与周围环境折射率差别很大,入射光能够与纳米线发生强耦合使得吸收增强、反射变弱。这样,在特定波段,即使纳米线阵列的厚度和体积远低于薄膜,但吸收仍然可以超过薄膜,且由于体积的减少实现了暗电流的抑制。

(3)在原子层厚度的二维材料中,二维/二维范德华异质结器件具有与电子平均自由程相当的结区宽度,为实现弹道雪崩效应提供了条件。由于雪崩过程发生在电子平均自由程内,因此弹道雪崩几乎免疫声子散射,从而能同时获得高倍增因子和低过剩噪声。尽管低维材料具有诸多优势,但是仍有一些难点需要努力攻克。如超导纳米线单光子探测器虽然具有宽工作波段和高光子探测效率等优势,但需要2 K以下的极低温工作条件;基于Photogating效应的低维材料单光子探测器虽然能获得1010的高光增益,但牺牲了响应时间。文章最后讨论了低维材料单光子探测器面临的挑战和机遇,并对单光子探测器的发展方向提供了一些有价值的方案和建议。

论文信息:

Emerging Single-Photon Detectors Based on Low-Dimensional Materials

Hailu Wang, Jiaxiang Guo, Jinshui Miao*, Wenjin Luo, Yue Gu, Runzhang Xie, Fang Wang, Lili Zhang, Peng Wang, Weida Hu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202103963

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202103963