程碑彤，代 千，謝修敏，徐 強，張 杉，宋海智,2*

(1.西南技術(shù)物理研究所，成都 610041；2.電子科技大學(xué) 基礎(chǔ)與前沿研究院，成都 610054)

引 言

單光子探測技術(shù)是支撐前沿科技發(fā)展的重要推動技術(shù)之一，在物理化學(xué)、生物環(huán)境、國防軍事等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用，特別是與激光、量子信息、生物熒光、非線性光學(xué)等技術(shù)結(jié)合形成多種交叉技術(shù)，在量子通信、資源普查、空間探測、遠距雷達等方面都有日益增長的廣泛需求。

單光子探測器(single-photon detector,SPD)是單光子探測技術(shù)的核心器件，是檢測極微弱單光子信號的一類器件統(tǒng)稱,屬于超低噪聲器件，憑借其超高的靈敏度完成對單個光子的檢測和計數(shù)，被廣泛用于探測信號強度只有幾個單光子能量級的應(yīng)用中?；竟δ苁菍⒐庑盘栟D(zhuǎn)換為電信號，主要分為外光電效應(yīng)器件和內(nèi)光電效應(yīng)器件，后者又主要包括光導(dǎo)型器件和光伏型器件等，其技術(shù)發(fā)展的趨勢是進一步實現(xiàn)高光子探測效率、低暗計數(shù)率、低時間抖動、高計數(shù)率等技術(shù)指標要求。隨著新型光電材料與器件技術(shù)發(fā)展，新體制、新材料、新結(jié)構(gòu)單光子探測器不斷涌現(xiàn)，單光子探測器得到了研究人員廣泛而持續(xù)的關(guān)注，是推動技術(shù)和應(yīng)用快速發(fā)展的重要原因[1-2]。

1 單光子探測器概述

由于光具有粒子性，它是由大量的光子組合在一起形成的，而單個光子的能量極低，因此，必須采用具有單光子探測能力的光檢測器件來實現(xiàn)對極微弱光的探測。單光子探測器因其具有對極微弱光的探測能力而應(yīng)用廣泛，種類也較多。按光譜響應(yīng)范圍可分為紫外(100nm～400nm)、可見(400nm～700nm)、短波紅外(1μm～2μm)、中長波紅外(3μm～25μm)等。按器件工作原理可分為:(1)光電倍增管(photomultiplier tube，PMT)。包括打拿極PMT、微通道板(microchannel plate,MCP)PMT等；(2)雪崩光電二極管(avalanche photodiode，APD)。包括硅蓋革雪崩光電二極管(Si Geiger mode avalanche photodiode,Si Gm-APD)、銦鎵砷蓋革雪崩光電二極管(InGaAs Gm-APD)、硅固態(tài)倍增管(Si photomultiplier,SiPM)等；(3)超導(dǎo)器件。包括超導(dǎo)納米線單光子探測器(superconducting nanowire single-photon detector,SNSPD)、超導(dǎo)臨界溫度躍遷單光子探測器(transition edge sensor,TES)等；(4)量子器件。包括量子阱(quantum well,QW)單光子探測器、量子點(quantum dot,QD)單光子探測器；(5)非線性器件。包括自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(spontaneous parametric down-conversion,SPDC)單光子探測器、頻率上轉(zhuǎn)換單光子探測器等。

光電倍增管是歷史最悠久、技術(shù)最成熟的單光子檢測器件，而雪崩光電二極管憑借其雪崩倍增效應(yīng)目前仍在微弱光探測領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用，但兩者都屬于傳統(tǒng)的單光子檢測器件，已經(jīng)無法完全滿足量子信息等先進技術(shù)的應(yīng)用需求，因此，必須對傳統(tǒng)的單光子探測器作出改進和指出未來技術(shù)發(fā)展趨勢。與此同時，探索新興的超導(dǎo)單光子器件以及基于2維材料的光電探測器件顯得尤為迫切，它們相對于傳統(tǒng)的單光子探測器件，實現(xiàn)了在某些性能上的本質(zhì)提升，是未來單光子探測技術(shù)取得突破性進展的關(guān)鍵。

2 光電倍增管

光電倍增管(PMT)是基于外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射理論的真空器件, 廣泛應(yīng)用于微弱光子探測。PMT按照陰極光探測直徑的不同可以分為小面積型PMT(探測面直徑小于20.32cm)和大面積型PMT(探測面直徑為20.32cm～50.8cm)。不同類型的PMT針對不同的應(yīng)用場景需求，比如小面積型PMT主要用于激光雷達、光子計數(shù)、正電子發(fā)射掃描儀等，而大面積型PMT主要用于大型中微子探測、伽馬射線探測、望遠鏡觀測等高能物理實驗研究領(lǐng)域。目前應(yīng)用最廣的是打拿極PMT和微通道板(MCP)PMT，其中MCP-PMT在打拿極PMT的基礎(chǔ)之上進行了器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.1 打拿極PMT

打拿極PMT的基本結(jié)構(gòu)由光電陰極、光電倍增極(打拿極)和陽極(收集極)組成，如圖1所示。其基本原理是光電陰極吸收入射光產(chǎn)生光電子，通過打拿極實現(xiàn)電子倍增，在達到一定數(shù)量級后就能轉(zhuǎn)換成電壓或者電流信號輸出，而輸出信號的幅值就反映了入射光信號的強弱。對于打拿極PMT來說，器件基本結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定，目前的關(guān)鍵技術(shù)突破方向主要集中在制備新型光電陰極材料和優(yōu)化打拿極結(jié)構(gòu)等方面。

圖1 打拿極PMT基本結(jié)構(gòu)圖[2]

2014年，日本濱松(Hamamatsu)公司設(shè)計的改進型ultra bialkali(UBA)和super bialkali(SBA)雙堿陰極PMT與普通的打拿極PMT相比，光譜響應(yīng)度明顯提升1倍[3]，UBA,SBA以及標準雙堿的光譜響應(yīng)對比圖如圖2所示。2020年，Hamamatsu公司進行了PMT的全面大改造，首先是采用先進的光電陰極技術(shù)將量子效率提高到了30%，同時還將打拿極結(jié)構(gòu)由百葉窗型優(yōu)化改進為直線聚焦型，并且在減少打拿極數(shù)量(11個變?yōu)?0個)的基礎(chǔ)上又將光收集效率提高到90%以上[4]，如圖3所示。

圖2 光譜響應(yīng)圖[3]

圖3 日本Hamamastu公司生產(chǎn)的大面積打拿極PMT結(jié)構(gòu)圖與樣圖[4]a—R3600型PMT內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 b—R12860型PMT內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 c—R3600型PMT樣管 d—R12860型PMT樣管

2.2 MCP-PMT

MCP-PMT與打拿極PMT的不同之處在于其采用微通道板(MCP)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分離式多級倍增極。MCP內(nèi)包含成百上萬個微通道(直徑一般為6μm ～25μm)，每個微通道里都涂有二次電子發(fā)射材料，可視為一個單獨的二次電子倍增器。目前技術(shù)比較成熟的MCP-PMT為近貼聚焦型，相對打拿極PMT來說具有增益高、抗磁能力強等突出特點。但是商用MCP-PMT中通常采用氫還原鉛硅酸鹽玻璃制備技術(shù)，導(dǎo)致MCP-PMT的壽命極短、探測效率也極低。因此，延長MCP-PMT壽命并降低成本是微通道板技術(shù)提升的關(guān)鍵。

針對上述問題，研究人員提出了采用硼硅酸鹽作襯底，利用原子層沉積技術(shù)(atomic layer deposition,ALD)在硼硅酸鹽表面蒸鍍MgO或者Al2O3等作為二次電子發(fā)射材料制備MCP-PMT[5]。如美國Argonne國家實驗室和Income Inc.基于該技術(shù)已成功制備出20cm×20cm的MCP-PMT，樣圖如圖4所示。量子效率在365nm處約為25%,增益達到107,單光子時間分辨率約為50ps[6]。而德國Nuremberg-Erlangend大學(xué)的LEHMANN長期從事檢測各種類型MCP-PMT的壽命的實驗工作，實驗結(jié)果證明,基于ALD技術(shù)制備的MCP-PMT壽命相比傳統(tǒng)MCP-PMT增加了約100倍且增益特性也明顯改善[7]，壽命檢測結(jié)果如圖5所示。

圖4 ALD-MCP樣品圖 [6]

圖5 不同類型ALD-MCP-PMT的壽命檢測結(jié)果對比[7]

3 雪崩光電二極管

雪崩光電二極管(APD)是基于雪崩碰撞離化放大機制的光電探測器件，由于其具有低功耗、小型化、高速、高可靠等技術(shù)特點，在微弱光及單光子探測領(lǐng)域占有重要地位，在量子通信、激光雷達以及激光3維成像等熱點領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。能夠?qū)崿F(xiàn)單光子探測的APD是周期性工作，在高于APD擊穿電壓的蓋革雪崩光電二極管(Gm-APD)也稱為單光子雪崩二極管(single-photon avalanche diode，SPAD)，通過配套淬滅和讀出電路對雪崩倍增過程進行淬滅和恢復(fù)控制從而實現(xiàn)單光子探測。圖6是SPAD的基本結(jié)構(gòu)和原理示意圖[8]。目前SPAD中最常使用的半導(dǎo)體材料是Si材料和InGaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物材料[9-10]。

圖6 SPAD的基本結(jié)構(gòu)和原理示意圖[8]a—SPAD結(jié)構(gòu)圖(以Si為例) b—偏置電壓與偏置電流曲線圖 c—典型的SPAD讀出電路 d—模擬輸出和數(shù)字化信號的例子 e—典型SiPM等效圖(由許多SPADs構(gòu)成)

3.1 Si SPAD

1963年，HAITZ等人首次展示了采用厚耗盡層(30μm ～50μm)結(jié)構(gòu)的Si SPAD，雖然光子探測效率在400nm和600nm處高于50%，但時間抖動較大(約400ps)、偏置電壓較高(約400V)[1-2,9]。因此,約在2008年后又開始采用薄耗盡層(約1μm)結(jié)構(gòu)，在室溫下時間抖動低至30ps，但由于吸收效率較低，探測效率在800nm處僅有15%[1,11]。2015年,有人提出了一種具有新穎納米結(jié)構(gòu)的Si SPAD，如圖7所示。其原理類似于光捕獲增強機制[12-13]，其探測效率可與厚耗盡層結(jié)構(gòu)Si SPAD相比擬，但又能保持一個相對較好的時間抖動特性。該器件的3維模型圖如圖8所示。

圖7 具有氮化硅納米堆的Si SPAD與傳統(tǒng)平面Si SPAD的結(jié)構(gòu)對比[12]

圖8 光捕獲結(jié)構(gòu)Si SPAD[13]

Si SPAD具有高探測效率、低暗計數(shù)率、低成本等特點，在量子通信、激光雷達等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但Si材料的帶隙較大，導(dǎo)致Si SPAD器件光譜響應(yīng)波長范圍最大值只能達到1μm左右，因此，拓寬Si SPAD的短波紅外光譜響應(yīng)波長范圍是目前的技術(shù)難點之一。目前，已經(jīng)有文獻報道用窄帶隙的Ge材料代替Si材料作為SPAD器件的吸收層，制備出Ge-on-Si SPAD器件[14-17]，在125K條件下，實現(xiàn)了1330nm處單光子探測效率(single-photon detection efficiency,SPDE)達到38%[16]，典型的Ge-on-Si SPAD器件結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。除此之外，還提出了基于Si SPAD器件的紅外上轉(zhuǎn)換單光子探測器(infrared up-conversion single-photon detector,USPD)，其結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。該器件首次實現(xiàn)了在1550nm處探測效率約為45%，噪聲等效功率(noise equivalent power,NEP)在200K時達到1.39 ×10-18W·Hz1/2,已經(jīng)優(yōu)于InGaAs SPAD的性能[18]。除短波紅外的成功案例，2020年,報道了基于上轉(zhuǎn)換單光子器件在中紅外激光雷達應(yīng)用中實現(xiàn)高分辨率和高靈敏度的案例[19]。

圖9 Ge-on-Si SPAD器件結(jié)構(gòu)圖[16]

圖10 USPD器件結(jié)構(gòu)圖[18]

3.2 InGaAs/InP SPAD

InGaAs/InP SPAD主要用于0.9μm～1.7μm的短波紅外單光子探測，目前基本都采用吸收漸變電荷倍增分離結(jié)構(gòu)(separated absorption,grading,charge,and multiplication,SAGCM)[20]，如圖11所示。但由于目前InGaAs/InP材料制備水平相對Si材料來說，材料內(nèi)部缺陷相對較多，因此暗計數(shù)率(dark count rate,DCR)顯著高于Si SPAD器件，除此之外，InGaAs/InP SPAD的光子探測效率(photon detection e-fficiency,PDE)是一個非常重要的參數(shù)，因此，InGaAs/InP SPAD目前主要的技術(shù)發(fā)展方向是通過優(yōu)化雪崩材料質(zhì)量和器件結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)PDE和DCR的平衡。

圖11 SAGCM結(jié)構(gòu)的InGaAs/InP SPAD [20]

近年針對這一技術(shù)難點開展了大量的工作，其中比較具有推進性進展的工作有如下3個：(1)2014年，通過用InAlAs材料代替InP材料作為雪崩倍增區(qū)域材料，其結(jié)構(gòu)圖如圖12所示，單光子探測效率(門控模式下)在260K和290K溫度下為分別為21%和10%，但由于InAlAs材料在雪崩區(qū)的隧穿電流較大，導(dǎo)致暗計數(shù)率仍然很大[21]，但可以通過優(yōu)化倍增區(qū)厚度實現(xiàn)在90%的擊穿電壓下暗計數(shù)率小于50nA[22]；(2)2017年，通過在倍增層中引入多個量子阱(multiple quantum well,MQW)區(qū)域，其結(jié)構(gòu)圖如圖13所示，該結(jié)構(gòu)下的SPAD量子效率提高了一個數(shù)量級，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致材料生長的質(zhì)量較差，其暗計數(shù)率也增加3個數(shù)量級，因此，該類器件結(jié)構(gòu)作為新穎的研究方向仍需進一步改進和優(yōu)化[23]；(3)2020年,通過增加電介質(zhì)-金屬反射層結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖14所示，使入射光子的吸收效率在1550nm處相對提高了約20%，DCR在340000/s時PDE達到了60%，并且在實際應(yīng)用時，在DCR為3000/s的參考下，PDE能夠達到40%，并且后脈沖率低至5.5%[24]，其性能明顯優(yōu)于目前的商業(yè)器件，是目前比較理想的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。以上工作雖然在DCR和PDE參數(shù)特性的優(yōu)化上初見成效，但與此同時帶來的工藝、技術(shù)以及其它參數(shù)上的新問題，仍然有待于解決。

圖12 InGaAs/InAlAs SPAD結(jié)構(gòu)圖[21]

圖13 帶MQW的倍增區(qū)結(jié)構(gòu)圖[23]

圖14 帶有電介質(zhì)-金屬反射層的InGaAs/InP SPAD結(jié)構(gòu)圖[24]

除了以上所述的Si SPAD和InGaAs/InP SPAD的研究進展，SPAD近年來在國內(nèi)也得到了迅速發(fā)展，取得了一定成果。比如，西南技術(shù)物理研究所等單位相繼開展了Si SPAD和InGaAs/InP SPAD焦平面組件技術(shù)研究，研制了64×64 Si SPAD和32×32 InGaAs/InP SPAD[25], 及更大陣列規(guī)模的SPAD器件，并應(yīng)用到無人駕駛激光雷達、激光測距、量子通信等領(lǐng)域，表明單光子焦平面組件在先進激光和光電探測中具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

3.3 SiPM

硅固態(tài)倍增管(SiPM)也稱為多元光子計數(shù)器(multi-pixel photon counter，MPPC)，是一種基于多元微通道技術(shù)的硅基固態(tài)電子倍增器件，它由成百上千甚至上萬個Gm-APD并聯(lián)組成SiPM的像素單元，其中每一個像素單元都可作為單獨的光子計數(shù)器使用。SiPM的核心是Gm-APD器件，其本質(zhì)是一個P-N結(jié)，工作于高于擊穿電壓的蓋革模式，光生載流子在外加偏置電壓下發(fā)生碰撞電離觸發(fā)雪崩輸出光電流。SiPM像素單元SPAD有關(guān)的圖可參見圖6。

SiPM具有體積小、成本低、集成度高、抗干擾能力強、探測效率高、工作電壓低等特點，已在如正電子發(fā)射斷層掃描(positron emission tomography，PET)技術(shù)、高能物理學(xué)(high energy physics，HEP)實驗等不同應(yīng)用中部分替代了PMT或者MCP-PMT，也在如激光光譜學(xué)、量子信息技術(shù)、激光雷達技術(shù)等單光子或少量光子探測技術(shù)中得到應(yīng)用[8，26-27]。

SiPM器件的主要技術(shù)難點是同時提高填充系數(shù)和探測效率。2013年，意大利Fondazione Bruno Kessler(FBK)研究中心報道了紅綠藍-高像素密度(red/green/blue high density,RGB-HD)器件，其探測效率的峰值分別在500nm附近綠光波段和400nm附近近紫外光波段[28]。2016年，F(xiàn)BK研究中心實現(xiàn)了像元直徑為15μm～40μm等不同規(guī)格SiPM，同時提出了SiO2填充溝槽結(jié)構(gòu)實現(xiàn)有效電隔離的SiPM技術(shù)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖15所示，該結(jié)構(gòu)使得探測效率在420nm處達到60%。2018年～2019年，F(xiàn)BK研究中心又在此基礎(chǔ)上通過優(yōu)化溝槽、抗反射涂層、入射窗等結(jié)構(gòu)成功制備出近紫外-高密度-低串擾(near ultraviolet high density,NUV-HD-low-crosstalk)型、近紫外-高密度-固態(tài)(NUV-HD-croy)型和真空-近紫外-高密度(vaccum near ultraviolet high density，vaccum-NUV-HD)型3種SiPM器件[8，26-27，29]。SiPM在器件結(jié)構(gòu)和工作原理上與PMT和MCP-PMT有本質(zhì)的不同，其性能也存在較大差異，表1中總結(jié)了這3類單光子探測器在主要性能上的特點[27]。

圖15 帶有溝槽的RGB-HD結(jié)構(gòu)圖[29]表1 打拿極PMT、近貼型MCP-PMT、SiPM 3種倍增器件的性能對比[27]

性能打拿極PMTSiPM近貼型MCP-PMT工作電壓>1000V30V～80V>2000V量子效率20%～25%25%～70%20%～25%增益105～106105～106105～106上升時間約1ns約1ns200ps～800ps渡越時間彌散<5ns<300ps<50ps溫度敏感性低高中抗磁場性弱強良好探測面積較大(cm2)較小(mm2)中等(mm2)結(jié)構(gòu)較大緊湊較緊湊單價中等低較高

4 新型單光子探測器

隨著新光電材料的引入、新器件結(jié)構(gòu)的發(fā)展以及半導(dǎo)體光電制造技術(shù)的不斷提升，文獻相繼報道了多種不同類型的新型單光子探測器，具有高探測效率、高分辨率、高速響應(yīng)等特點。其中，基于1維超導(dǎo)納米線單光子探測器(SNSPD)和基于2維材料的APD單光子探測器的發(fā)展較為迅速。

4.1 SNSPD

基于超薄超導(dǎo)材料制備的SNSPD的基本原理是超導(dǎo)納米線吸收光子后會出現(xiàn)有阻的局域非平衡點“hot-spot”，從而導(dǎo)致超導(dǎo)納米線兩端產(chǎn)生電壓脈沖信號，通過光電轉(zhuǎn)換實現(xiàn)單光子探測。SNSPD理論上具有接近100%的系統(tǒng)探測效率(system detection efficiency,SDE)，有望突破傳統(tǒng)光電探測器的性能極限，將大幅提升單光子探測器性能指標，對量子信息、量子調(diào)控和量子通信等技術(shù)有重要的支撐作用[30]。近年來，SNSPD在器件結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化改進集中在幾個方面：(1)2006年，首次將小面積SNSPD器件集成到帶有背面反射鏡的光學(xué)腔中，使得SDE分別在1550nm和1064nm處達到57%和67%[31]，其結(jié)構(gòu)如圖16所示；(2)2017年，報道了一種由多晶NbN制成的超導(dǎo)納米線單光子探測器，采用全反射介質(zhì)鏡面構(gòu)成分布式布喇格反射鏡(distribute Bragg reflection，DBR)結(jié)構(gòu)提高納米線的吸收，其結(jié)構(gòu)如圖17所示，該器件SDE在1550nm處達到90.2%，并隨著制冷溫度的降低，在1.8K下可達到92.1%[32],該結(jié)果將有助于高性能超導(dǎo)單光子探測器件在量子信息領(lǐng)域和其它高端領(lǐng)域中的應(yīng)用；(3)2019年，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所YOU團隊采用無損介質(zhì)鏡面加三明治結(jié)構(gòu)制備的SNSPD器件，打破NbN SNSPD器件的本征探測響應(yīng)和光學(xué)吸收效率的制衡關(guān)系，實現(xiàn)了兩者的同時提升,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖18所示。在0.8K工作溫度下SDE在1590nm處達到98%[33]，且該類型器件顯示出了多種參數(shù)的魯棒性，SDE大于80%時，產(chǎn)率達到73%，SDE大于90%時，產(chǎn)率達到36%，對批量生產(chǎn)及商業(yè)化應(yīng)用都有實際意義。

圖16 帶有背面反射鏡的SNSPD[31]

圖17 DBR結(jié)構(gòu)的SNSPD[32]

圖18 三明治結(jié)構(gòu)的SNSPD[33]a—器件結(jié)構(gòu)示意圖 b—傳統(tǒng)單層納米線與三明治結(jié)構(gòu)納米線 c—器件光子響應(yīng)和光學(xué)吸收的關(guān)系

目前，制約SNSPD廣泛應(yīng)用的最大障礙是其需要在極低溫條件下工作，需配合大型制冷設(shè)備才能實現(xiàn)器件最優(yōu)性能，因此在一定程度上高度集成低溫技術(shù)將決定SNSPD的未來發(fā)展。此外，研發(fā)臨界轉(zhuǎn)換溫度較高的高溫超導(dǎo)材料以及SNSPD的器件陣列化也是重要發(fā)展方向。

4.2 2維材料APD(2-D APD)

2維層狀材料與傳統(tǒng)的體材料相比，具有自鈍化表面、強光物質(zhì)耦合、可調(diào)費米能級和機械靈活性等優(yōu)良特性，并且材料特性可隨著厚度不同而不同[34-35]，近年來得到了研究人員的高度重視和重點研究。其中，2維層狀石墨烯材料是零帶隙材料，可以與從紫外光波段到微波波段等電磁波相互作用，使其成為寬光譜范圍內(nèi)各種光檢測應(yīng)用的理想候選材料[35]。但石墨烯零帶隙的性質(zhì)不利于實現(xiàn)高信噪比的光探測器。相比之下，2維過渡金屬硫化物(transition metal sulfide，TMD)如WSe2和MoS2是具有一定帶隙的材料，能夠在可見光到近紅外范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的光檢測性能[36]。除了石墨烯和TMDs外，2維黑磷(black phosphoorous,BP)的直接帶隙從0.3eV～2.0eV(單層形式)，也是一種重要的紅外光檢測潛在候選材料[37]。

2維材料技術(shù)的發(fā)展也為基于APD機制的新型單光子探測器發(fā)展提供了新思路，目前正在研究通過碰撞電離產(chǎn)生雪崩效應(yīng)來實現(xiàn)高檢測效率和單光子計數(shù)的2維材料光電探測器。圖19～圖21展示了部分基于2維材料的光電探測器件[38-40]，表2中總結(jié)了基于2維材料的各種類型光電探測器性能指標[41]?？梢钥闯?所有2維APD外部量子效率都超過100%，因此，若能夠有效解決2維材料光吸收系數(shù)較低的技術(shù)瓶頸，并且實現(xiàn)與表面等離激元結(jié)構(gòu)的技術(shù)融合[42]，由2維層狀材料以及范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的雪崩光電探測器將具有非常好的技術(shù)前景。

圖19 基于石墨烯的光電探測器原理圖[38]

圖20 基于2維黑磷(2-D BP)光電探測器結(jié)構(gòu)圖[39]a—APD結(jié)構(gòu) b—載流子雪崩過程

圖21 MoS2/Si (2-D/3-D)結(jié)構(gòu)[40]a—MoS2/Si異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)界面 b—能帶圖

表2 現(xiàn)有2-D材料光電探測器的主要性能對比[42]

5 結(jié)束語

本文中介紹了在激光和量子領(lǐng)域得到重要應(yīng)用的單光子探測器，以及典型器件關(guān)鍵技術(shù)的突破與發(fā)展情況。其中，PMT器件研究比較充分，已實現(xiàn)商用，以Hamamatsu產(chǎn)品為代表的器件類型眾多，正在發(fā)展先進PMT器件；APD器件包括Si SPAD、InGaAs/InP SPAD和SiPM等，技術(shù)相對成熟，但Si SPAD的光譜響應(yīng)范圍和InGaAs/InP SPAD的暗計數(shù)率等技術(shù)難點仍有待改進；SNSPD器件的光電性能優(yōu)秀，但需解決低溫裝置集成化問題；2維APD器件技術(shù)前景廣闊，仍需開展進一步研究。隨著材料制備技術(shù)進步和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)展，單光子探測器未來將有望獲得更高光電性能，實現(xiàn)更為廣泛的應(yīng)用。