量子傳感器：研究人員和濱松眼光電探測器技術

傳感器幾乎對任何行業(yè)和應用都至關重要；然而，研究人員和公司如何利用光電探測器等技術將傳感技術帶入量子領域？

隨著世界向更智能的設備和系統(tǒng)邁進，對高端傳感器技術的需求呈指數(shù)級增長。此外，傳感器不僅需要提高性能以應對這些新挑戰(zhàn)，而且還必須在占地面積和功耗方面更小。

最近人們非常感興趣的一個特定傳感器是光電探測器。

光電探測器中使用的光電二極管示例。

光電探測器中使用的光電二極管示例。圖片由濱松提供

這些設備在各種應用中的靈活性使它們如此有吸引力，因為這些傳感器可用于環(huán)境傳感、物體檢測以及數(shù)據(jù)傳輸和處理。

所有這些應用都需要在高速和低功耗下運行，這促使許多人走向量子領域來構建他們的光電探測器，結果正在帶來回報。

盡管量子領域的傳感仍處于起步階段，但在本文中，我們將總結一些最近的研究和正在創(chuàng)建的設備，以邁出量子傳感技術的下一步。

膠體量子點（CQD）技術的量子傳感

最近，其中一個量子光電探測器是通過量子點建造的。更具體地說，光子科學研究所（ICFO）的研究人員在《自然光子學》上發(fā)表了一份報告，詳細介紹了他們使用膠體量子點（CQD）技術開發(fā)的溶液處理紅外激光器。

ICFU的激光器采用CQD技術。

ICFU的激光器采用CQD技術。圖片由ICFO提供

CQD由CQD光電探測器綜述論文定義，是一種在溶液相中合成和加工的納米結構材料。

這些激光器在室溫下工作，更重要的是，它們與互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術直接兼容。這種兼容性是優(yōu)化系統(tǒng)設計的一個關鍵方面。

總體而言，這些激光器在電信范圍內具有可調的輸出波長，從而實現(xiàn)了芯片間或芯片內的光通信。

在此之前，紅外激光器通常使用摻鉺光纖或III-V外延半導體制造，但這些很難制造并與電子設備集成。

正如ICFO團隊之前討論的那樣，這種CQD技術已被用于制造光電探測器和LED；然而，在Gerasimos Konstantatos教授的領導下，他們是第一個通過CQD產(chǎn)生激光的人。

用于制造這種激光器的腔經(jīng)過嚴格優(yōu)化，以找到最佳的光學增益和共振。

此外，研究人員設計了傳感器的表面來抑制“陷阱狀態(tài)”，這會導致系統(tǒng)中的過量噪聲有利于受激發(fā)射。

總而言之，該團隊最終希望這一發(fā)現(xiàn)能夠導致完全集成的硅光子學。

濱松光子學創(chuàng)建量子級聯(lián)光電探測器

濱松光子學公司也參與了這項工作，因為他們生產(chǎn)了“有史以來第一個”量子級聯(lián)（QCD）光電探測器，稱為P16309-01。

QCD光電探測器的基本結構和氣橋布線

QCD光電探測器的基本結構和氣橋布線。圖片由濱松提供

該探測器在室溫下以極高的速度運行，最高可達20 GHz。此外，該器件在4.6μm波長下具有1mA/W的高峰值靈敏度，具有出色的信噪比（SNR）。它的設計最大限度地減少了內部的暗電流。

憑借全球最高的響應時間，濱松認為這是整個紅外光譜中紅外QCD傳感器系列的開始。

量子阱光電探測器

最后，根據(jù)《自然》雜志發(fā)表的一篇文章，一種新材料正被用于金屬半導體金屬（MSM）量子阱光電探測器的結。

所提出的光電探測器示意圖

所提出的光電探測器的示意圖。圖片[修改]由羅等人提供

自MSM設備問世以來，由于其固有的高響應速度，MSM設備一直是人們感興趣的領域。此外，與CQD技術類似，它們很容易集成到CMOS技術中。

然而，由于這些器件的結的制造，它們一直存在與暗電流有關的問題，因為金屬沉積過程會導致化學無序，從而導致量子隧穿電流效應。

這種效應是暗電流的來源，使得MSM技術難以使用。

除此之外，在這個過程中通常使用不透明的金屬，它們會反射一些入射光被吸收，從而降低傳感器的響應能力。

本文研究了一種名為MXene的新型二維材料，其通式為：

解釋：

n=1,2,3

M是一種早期過渡金屬

X是碳和/或氮原子

Tx是表面終止官能團，通常是氧、氫氧化物和/或氟化物

這種新型材料在導電性方面具有金屬的優(yōu)點，但也具有柔性、親水性、良好的傳輸性，最重要的是化學穩(wěn)定性，因此可以在低溫下沉積。

此外，它具有可調的功函數(shù)，使其成為具有多種不同類型半導體材料的MSM器件的可行選擇。在任何一種情況下，它都可以通過沒有化學紊亂來最大限度地減少暗電流，使其他人能夠充分利用MSM技術。

可以看出，當前的需求要求非常嚴格，我們必須進行納米級優(yōu)化來滿足這些要求。

因此，量子領域是解決當今市場問題的唯一途徑，因此，將繼續(xù)使我們的世界更加互聯(lián)、高效和智能的傳感器將成為量子傳感器。