量子傳感器：研究人員和濱松眼光電探測(cè)器技術(shù)

傳感器幾乎對(duì)任何行業(yè)和應(yīng)用都至關(guān)重要；然而，研究人員和公司如何利用光電探測(cè)器等技術(shù)將傳感技術(shù)帶入量子領(lǐng)域？

隨著世界向更智能的設(shè)備和系統(tǒng)邁進(jìn)，對(duì)高端傳感器技術(shù)的需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。此外，傳感器不僅需要提高性能以應(yīng)對(duì)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(gè)特定傳感器是光電探測(cè)器。

光電探測(cè)器中使用的光電二極管示例。

光電探測(cè)器中使用的光電二極管示例。圖片由濱松提供

這些設(shè)備在各種應(yīng)用中的靈活性使它們?nèi)绱擞形Γ驗(yàn)檫@些傳感器可用于環(huán)境傳感、物體檢測(cè)以及數(shù)據(jù)傳輸和處理。

所有這些應(yīng)用都需要在高速和低功耗下運(yùn)行，這促使許多人走向量子領(lǐng)域來構(gòu)建他們的光電探測(cè)器，結(jié)果正在帶來回報(bào)。

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

膠體量子點(diǎn)（CQD）技術(shù)的量子傳感

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

ICFU的激光器采用CQD技術(shù)。

ICFU的激光器采用CQD技術(shù)。圖片由ICFO提供

CQD由CQD光電探測(cè)器綜述論文定義，是一種在溶液相中合成和加工的納米結(jié)構(gòu)材料。

這些激光器在室溫下工作，更重要的是，它們與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)直接兼容。這種兼容性是優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵方面。

總體而言，這些激光器在電信范圍內(nèi)具有可調(diào)的輸出波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了芯片間或芯片內(nèi)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(dǎo)體制造，但這些很難制造并與電子設(shè)備集成。

正如ICFO團(tuán)隊(duì)之前討論的那樣，這種CQD技術(shù)已被用于制造光電探測(cè)器和LED；然而，在Gerasimos Konstantatos教授的領(lǐng)導(dǎo)下，他們是第一個(gè)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(yán)格優(yōu)化，以找到最佳的光學(xué)增益和共振。

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

總而言之，該團(tuán)隊(duì)最終希望這一發(fā)現(xiàn)能夠?qū)е峦耆傻墓韫庾訉W(xué)。

濱松光子學(xué)創(chuàng)建量子級(jí)聯(lián)光電探測(cè)器

濱松光子學(xué)公司也參與了這項(xiàng)工作，因?yàn)樗麄兩a(chǎn)了“有史以來第一個(gè)”量子級(jí)聯(lián)（QCD）光電探測(cè)器，稱為P16309-01。

QCD光電探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)和氣橋布線

QCD光電探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)和氣橋布線。圖片由濱松提供

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

憑借全球最高的響應(yīng)時(shí)間，濱松認(rèn)為這是整個(gè)紅外光譜中紅外QCD傳感器系列的開始。

量子阱光電探測(cè)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(dǎo)體金屬（MSM）量子阱光電探測(cè)器的結(jié)。

所提出的光電探測(cè)器示意圖

所提出的光電探測(cè)器的示意圖。圖片[修改]由羅等人提供

自MSM設(shè)備問世以來，由于其固有的高響應(yīng)速度，MSM設(shè)備一直是人們感興趣的領(lǐng)域。此外，與CQD技術(shù)類似，它們很容易集成到CMOS技術(shù)中。

然而，由于這些器件的結(jié)的制造，它們一直存在與暗電流有關(guān)的問題，因?yàn)榻饘俪练e過程會(huì)導(dǎo)致化學(xué)無序，從而導(dǎo)致量子隧穿電流效應(yīng)。

這種效應(yīng)是暗電流的來源，使得MSM技術(shù)難以使用。

除此之外，在這個(gè)過程中通常使用不透明的金屬，它們會(huì)反射一些入射光被吸收，從而降低傳感器的響應(yīng)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(tuán)，通常是氧、氫氧化物和/或氟化物

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

此外，它具有可調(diào)的功函數(shù)，使其成為具有多種不同類型半導(dǎo)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(xué)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(shù)。

可以看出，當(dāng)前的需求要求非常嚴(yán)格，我們必須進(jìn)行納米級(jí)優(yōu)化來滿足這些要求。

因此，量子領(lǐng)域是解決當(dāng)今市場(chǎng)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。