作者：Omer Gokalp Memis，Hooman Mohseni @zi0:3`#0\  
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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。 =B;qy7?  
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紅外光譜通常能提供超出人眼視覺(jué)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。 RN@)nc_  
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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(kāi)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(jué)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。 IV':sNV  
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紅外探測(cè)的挑戰(zhàn) G@jx&#v  
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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(wèn)題。 OT|0_d?bD  
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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。 RX?!MDO  
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源自人眼桿狀細(xì)胞的靈感 y,n.(?!*  
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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(wèn)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。 E U RKzJk  
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為了克服固態(tài)單光子探測(cè)器所面臨的問(wèn)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(jué)十分敏感，這主要是因?yàn)樗鼈兏缓�一種叫做視網(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(guò)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(jué)系統(tǒng)的工作原理，來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的單光子探測(cè)。 xmC5uT6L3M  
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FOCUS系統(tǒng)開(kāi)發(fā) Oz]$zRu/0  
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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(jiàn)圖1）。 NhF"%  
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