超靈敏單光子探測(cè)是光量子信息和量子調(diào)控領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效率、超靈敏、低功耗以及低成本的單光子探測(cè)具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。與可見(jiàn)光波段的Si基單光子探測(cè)器相比，紅外響應(yīng)單光子探測(cè)器目前在成本和性能方面都存在較大差距，探索基于新材料和新機(jī)制的紅外單光子探測(cè)技術(shù)是光電探測(cè)領(lǐng)域發(fā)展的迫切需求。近年來(lái)，低維材料由于其獨(dú)特的物化性質(zhì)，為研制高增益、室溫工作和寬波段響應(yīng)的探測(cè)器提供了新的可能，高性能低維材料光電探測(cè)技術(shù)也成為了當(dāng)前紅外探測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，東華大學(xué)和東南大學(xué)的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“高增益紅外單光子探測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展（特邀）”為主題的文章。該文章第一作者為吳靜遠(yuǎn)，主要從事低維材料微納光電器件的設(shè)計(jì)、研制及其在光電探測(cè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用的研究工作。

文中首先回顧了傳統(tǒng)雪崩類半導(dǎo)體紅外光電探測(cè)器的基本原理，在此基礎(chǔ)上，介紹了基于新型低維材料的雪崩機(jī)制光電探測(cè)技術(shù)的最新進(jìn)展，之后討論了光誘導(dǎo)柵壓效應(yīng)型光電探測(cè)器件的新型光增益放大機(jī)制，并描述了在該工作機(jī)制下相關(guān)低維材料紅外探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)和性能表現(xiàn)。最后展望了高增益紅外單光子探測(cè)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向和面臨的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)半導(dǎo)體雪崩效應(yīng)單光子探測(cè)技術(shù)

工作原理

雪崩光電二極管是目前最成熟的紅外單光子探測(cè)器結(jié)構(gòu)，它是基于內(nèi)光電效應(yīng)和內(nèi)部電子碰撞電離增益機(jī)制實(shí)現(xiàn)超靈敏探測(cè)，如圖1所示，雪崩光電二極管通常由p-n結(jié)構(gòu)成，并工作在反向偏置電壓條件下，當(dāng)反向偏壓大于器件的擊穿電壓時(shí)，耗盡層中的光生電子-空穴對(duì)被加速獲得足夠動(dòng)能，通過(guò)與晶格碰撞電離實(shí)現(xiàn)電子空穴對(duì)的倍增，這種雪崩鏈?zhǔn)叫?yīng)使得探測(cè)器內(nèi)部電信號(hào)急速放大，此時(shí)倍增因子趨于無(wú)窮大，該過(guò)程也被稱為蓋革模式（Geiger mode），是實(shí)現(xiàn)單光子計(jì)數(shù)的必要條件。然而由于蓋革模式下器件雪崩效應(yīng)無(wú)法自行停止，因此需要通過(guò)設(shè)計(jì)外部淬滅電路來(lái)控制器件的雪崩過(guò)程。

圖1 雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)及工作原理

半導(dǎo)體雪崩類紅外單光子探測(cè)器

通常紅外雪崩二極管單光子探測(cè)器根據(jù)半導(dǎo)體帶隙要求采用Ge或InGaAs材料制備，Ge的極限響應(yīng)波長(zhǎng)為1.8 μm，但其光電二極管背景噪聲非常大，與Ge相比，InGaAs作為直接帶隙半導(dǎo)體，它的紅外吸收系數(shù)更大，因此探測(cè)效率更高，且噪聲更小，尤其適合工作在1550 nm通信窗口。最常見(jiàn)的紅外雪崩二極管通常由InGaAs/InP異質(zhì)結(jié)構(gòu)成，其中InGaAs作為吸收層產(chǎn)生載流子，InP為倍增層實(shí)現(xiàn)載流子的碰撞電離，此外在吸收層和倍增層中會(huì)插入多級(jí)過(guò)渡層以實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)的平滑過(guò)渡。對(duì)于單光子探測(cè)器來(lái)說(shuō)，探測(cè)效率（PDE）和暗計(jì)數(shù)（DCR）是關(guān)鍵性能指標(biāo)，目前商用的InGaAs/InP紅外雪崩光電探測(cè)器的PDE僅為20%，DCR約為100 kHz（在1550 nm波長(zhǎng)處），性能遠(yuǎn)低于紅外超導(dǎo)探測(cè)器。近年來(lái)，研究人員圍繞紅外半導(dǎo)體雪崩探測(cè)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備工藝以及測(cè)試電路方面開(kāi)展了大量的研究工作以提升器件性能。

單光子探測(cè)器的PDE由器件的耦合效率、吸收效率以及雪崩碰撞產(chǎn)生概率等因素共同決定，最近，針對(duì)PDE改善問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)Fang等人對(duì)InGaAs/InP雪崩光電探測(cè)器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化（見(jiàn)圖2（a）），通過(guò)添加介質(zhì)-金屬反射層提升了器件對(duì)1550 nm波長(zhǎng)入射光子的吸收率，同時(shí)利用單片集成讀出電路提取微弱的雪崩信號(hào)，并抑制寄生電容，最終器件室溫下的PDE最高達(dá)到60.1%，DCR為340 kHz（見(jiàn)圖2（b））。

圖2 （a）InGaAs/InP雪崩光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖；（b）器件暗計(jì)數(shù)和探測(cè)效率性能參數(shù)，插圖為探測(cè)效率為50%時(shí)的有效門(mén)寬

盡管通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電路設(shè)計(jì)等方法在傳統(tǒng)半導(dǎo)體紅外雪崩探測(cè)器的性能方面已取得一些進(jìn)步，但由于后脈沖效應(yīng)，即材料缺陷俘獲載流子再次引發(fā)雪崩擊穿效應(yīng)的影響，使得器件的DCR難以進(jìn)一步降低（通常在100 kHz量級(jí)）。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，研究人員開(kāi)始嘗試采用制備基于半導(dǎo)體低維納米結(jié)構(gòu)的雪崩光電探測(cè)器，有望在保持高增益的同時(shí)降低暗噪聲，此外，納米結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器具有更易于集成化和小體積的優(yōu)點(diǎn)，滿足紅外光電探測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)。下文針對(duì)一維納米線和二維材料雪崩光電探測(cè)器的最新研究進(jìn)展分別進(jìn)行了介紹。

低維材料雪崩類探測(cè)器

一維納米線雪崩光電探測(cè)器

一維納米線由于較大的表面積-體積比以及亞波長(zhǎng)直徑尺寸展現(xiàn)出獨(dú)特的物理性質(zhì)，為高增益以及偏振敏感的光電探測(cè)帶來(lái)了新的機(jī)遇，而且納米線可以與入射光發(fā)生強(qiáng)耦合顯著提升光吸收，并通過(guò)改變納米線的尺寸形貌和組分對(duì)光吸收進(jìn)行調(diào)控，非常有潛力實(shí)現(xiàn)室溫紅外探測(cè)。早在2006年，哈佛大學(xué)C.M.lieber課題組首次提出了由Si-CdS納米線構(gòu)成的納米級(jí)光電倍增二極管，器件探測(cè)光子數(shù)小于100，且具有亞波長(zhǎng)空間分辨率，十余年來(lái)，研究人員通過(guò)探索基于不同半導(dǎo)體材料的納米線以及優(yōu)化納米線陣列的形貌和結(jié)構(gòu)，從而提升了單光子探測(cè)性能。

2019年，美國(guó)加州大學(xué)HyunseokKim等人制備了工作在蓋革模式下的垂直納米線陣列雪崩探測(cè)器（見(jiàn)圖3），納米線中InGaAs層為吸收層，GaAs為倍增層，每個(gè)雪崩探測(cè)器包含4400根納米線，由于每根納米線單獨(dú)產(chǎn)生雪崩倍增過(guò)程，因此與體材料相比，該器件的后脈沖效應(yīng)影響顯著減小，最終優(yōu)化的結(jié)果是器件的DCR低至10 Hz，時(shí)間抖動(dòng)小于113 ps，這表明利用一維納米線結(jié)構(gòu)有望直接實(shí)現(xiàn)高性能InGaAs紅外雪崩光電探測(cè)器，而不需要復(fù)雜的淬滅電路設(shè)計(jì)，但該器件仍需要低溫制冷的工作條件。為了提高器件的工作溫度，S.J.Gibson等人報(bào)道了采用錐形InP納米線p-n結(jié)陣列，實(shí)現(xiàn)了室溫下高效單光子探測(cè)，器件的增益高達(dá)10?，時(shí)間抖動(dòng)小于20 ps，并且通過(guò)對(duì)InP納米線大小和形貌的設(shè)計(jì)優(yōu)化，探測(cè)器在紫外-近紅外寬光譜（450~900 nm）范圍內(nèi)具有幾乎一致的探測(cè)效率，內(nèi)量子效率超過(guò)70%。

圖3 （a）InGaAs-GaAs雪崩探測(cè)器在不同溫度下的暗計(jì)數(shù)，插圖為器件結(jié)構(gòu)示意圖，器件由InGaAs吸收層、GaAs倍增層和InGaP鈍化殼層組成；（b）納米線生長(zhǎng)過(guò)程中的掃描電鏡圖像，比例尺為500 nm

上述工作充分反映了低維半導(dǎo)體納米線結(jié)構(gòu)在紅外單光子探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，與一維超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器相比，基于雪崩增益機(jī)制的半導(dǎo)體納米線探測(cè)器的工作溫度顯著提升，有望實(shí)現(xiàn)兼具室溫工作、高效率、低噪聲和快速響應(yīng)等優(yōu)異性能的單光子探測(cè)，通過(guò)選擇適當(dāng)納米線材料以及設(shè)計(jì)陣列周期，能夠進(jìn)一步拓展探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)范圍和提升器件性能。

二維材料雪崩光電探測(cè)器

二維材料由于其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)和能帶特征，近年來(lái)在光電探測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注，但目前將二維材料應(yīng)用于雪崩光電器件的相關(guān)研究剛剛起步，二維材料雪崩光電探測(cè)器的優(yōu)勢(shì)在于由于其原子級(jí)厚度性質(zhì)，所需要的碰撞電離擊穿電壓遠(yuǎn)小于三維半導(dǎo)體材料，此外，通過(guò)外場(chǎng)調(diào)控充分耗盡二維材料中的載流子，因此能夠抑制器件的暗噪聲。最早研制的二維材料雪崩光電探測(cè)器主要工作在可見(jiàn)光波段，采用的材料包括二維InSe以及MoS?等，不同于傳統(tǒng)半導(dǎo)體構(gòu)建的p-n結(jié)雪崩二極管，二維材料通常采用光電晶體管的器件形式，利用二維材料與金屬電極之間的肖特基勢(shì)壘產(chǎn)生電場(chǎng)形成載流子的雪崩效應(yīng)。

為了在紅外波段響應(yīng)，需要選取合適的窄帶隙二維材料，黑磷（BP）由于高載流子遷移率以及窄帶隙特性，非常有潛力應(yīng)用于高增益紅外探測(cè)領(lǐng)域。2019年，J.Jia等人報(bào)道了基于多層BP的超靈敏雪崩光電探測(cè)器（見(jiàn)圖4（a）），由于多層BP的帶隙約為0.33 eV，因此其光電倍增過(guò)程所需要的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其他二維材料。在外加電場(chǎng)較小時(shí)，電流隨電場(chǎng)強(qiáng)度線性增加，當(dāng)外加電場(chǎng)超過(guò)臨界值以后，由于雪崩倍增機(jī)制光電流迅速增大到微安量級(jí)，如圖4（b）和4（c）所示。對(duì)于二維材料探測(cè)器而言，它們的普遍性問(wèn)題在于二維材料的原子級(jí)厚度限制了光吸收能力，表面等離激元結(jié)構(gòu)由于局域場(chǎng)增強(qiáng)特性可以用來(lái)顯著提升二維材料光電探測(cè)器件的光吸收。J.Jia等人也采取這一策略，通過(guò)在BP雪崩探測(cè)器溝道上沉積金納米顆粒，不僅提高了BP的光吸收率，同時(shí)還利用金顆粒的n型電子摻雜作用降低了器件的暗電流，將器件的信噪比提升了3倍。

圖4 （a）基于BP的雪崩光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)；（b）不同電場(chǎng)強(qiáng)度下器件產(chǎn)生的光電流與波長(zhǎng)的關(guān)系；（c）不同電場(chǎng)強(qiáng)度下器件工作機(jī)制，電場(chǎng)強(qiáng)度大于臨界電場(chǎng)時(shí)，由于雪崩效應(yīng)發(fā)生載流子倍增

除了傳統(tǒng)的雪崩效應(yīng)以外，二維材料獨(dú)特的電子輸運(yùn)特性為探索全新的雪崩機(jī)制原理性器件提供了可能。2019年，南京大學(xué)A.Gao等人首次在二維材料原子級(jí)厚度異質(zhì)結(jié)中發(fā)現(xiàn)了一種新型p-n結(jié)彈道雪崩擊穿機(jī)制，他們利用彈道輸運(yùn)過(guò)程中電荷幾乎無(wú)散射以及保持相位相干的量子特性，有望解決傳統(tǒng)雪崩器件需要強(qiáng)電場(chǎng)激發(fā)的問(wèn)題，并突破傳統(tǒng)器件的理論噪聲極限。器件的具體結(jié)構(gòu)由二維InSe/BP垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)成，響應(yīng)波長(zhǎng)可達(dá)到4 μm中紅外波段，由于彈道雪崩機(jī)制，器件的亞閾值擺幅僅為0.25 mV/dev，展現(xiàn)了低功耗的優(yōu)異性能，同時(shí)器件的雪崩閾值電壓小于1 V，顯著降低了器件的噪聲。該工作為實(shí)現(xiàn)高性能紅外雪崩光電探測(cè)器提供了新的研究思路。

新型高增益低維材料紅外探測(cè)技術(shù)

photogating增益機(jī)制

利用photogating（光誘導(dǎo)柵壓調(diào)控）效應(yīng)也是實(shí)現(xiàn)高增益靈敏探測(cè)的手段之一，不同于前面介紹的雪崩增益依賴于強(qiáng)電場(chǎng)，photogating效應(yīng)通過(guò)光照引起的電勢(shì)調(diào)控晶體管溝道的電導(dǎo)率，也可以理解為在場(chǎng)效應(yīng)晶體管中產(chǎn)生了額外的柵壓導(dǎo)致的光電響應(yīng)，晶體管中俘獲的載流子對(duì)溝道層產(chǎn)生強(qiáng)局域作用，進(jìn)而形成極大光增益（見(jiàn)圖5）。量子點(diǎn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管單光子探測(cè)器即利用了這一機(jī)制，該類器件最早是由劍橋大學(xué)A.J.Shields等人提出的，器件由GaAs二維電子氣場(chǎng)效應(yīng)晶體管和InAs量子點(diǎn)浮柵結(jié)構(gòu)組成，通過(guò)InAs量子點(diǎn)高效俘獲光生載流子，進(jìn)而改變溝道二維電子氣的輸運(yùn)特性，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一至三個(gè)光子的分辨。

圖5 基于photogating效應(yīng)的晶體管光電響應(yīng)增益機(jī)制

隨著近年來(lái)低維材料研究熱潮的興起，基于photogating效應(yīng)的光電探測(cè)器再次引起了人們的廣泛關(guān)注。一方面，由于低維材料比表面積大，材料的表面態(tài)或缺陷態(tài)都可以作為載流子的俘獲中心，從而調(diào)控溝道的電導(dǎo)率；另一方面，通過(guò)構(gòu)建低維材料異質(zhì)結(jié)復(fù)合體系，利用其中一種材料作為高效的載流子俘獲中心，在界面載流子積累形成的內(nèi)建電場(chǎng)作用下，另一種材料中的電導(dǎo)能夠被有效調(diào)控，從而產(chǎn)生高增益。下文針對(duì)上述兩種情形分別進(jìn)行了描述。

基于單一低維材料的高增益探測(cè)器

2014年，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所Weida Hu研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和制備了核殼結(jié)構(gòu)的InAs納米線，利用殼層對(duì)光生載流子的俘獲調(diào)制納米線溝道的電導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)-近紅外波段的室溫高增益光電探測(cè)器，器件的基本結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖如圖6（a）~6（b）所示。他們進(jìn)一步制備了基于單根CdS納米線的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，并實(shí)現(xiàn)了457 nm波長(zhǎng)下的室溫可分辨的單光子探測(cè)，該工作不僅展示了基于photogating機(jī)制的核殼結(jié)構(gòu)納米線在室溫單光子探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，未來(lái)還有望通過(guò)改變半導(dǎo)體材料將響應(yīng)波長(zhǎng)拓展到紅外波段。

圖6 （a）室溫高增益InAs納米線光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖和（b）photogating物理機(jī)制；（c）碲烯中紅外高增益光電探測(cè)器原子力顯微鏡圖像和不同波長(zhǎng)下的光電流

二維材料探測(cè)器中同樣存在photogating效應(yīng)，在可見(jiàn)光波段已有關(guān)于MoS?、In?Se?等二維材料基于photogating效應(yīng)的高增益探測(cè)器報(bào)道，這類器件的特點(diǎn)在于由于極高的響應(yīng)度，器件能夠?qū)ξ⑷豕庑盘?hào)（有效光功率為皮瓦量級(jí)）靈敏探測(cè)。在紅外波段，Q.Guo等人報(bào)道了基于BP的高增益室溫探測(cè)器，器件響應(yīng)波長(zhǎng)達(dá)到3.39 μm，他們分析了由于淺雜質(zhì)能級(jí)缺陷對(duì)光生載流子的俘獲機(jī)制導(dǎo)致器件具有近10?的高增益。然而，由于存在BP在空氣中不穩(wěn)定等問(wèn)題，研究人員也在探尋其它窄帶隙的二維材料，最近C.Shen等人研制了碲烯中紅外探測(cè)器件（見(jiàn)圖6（c）），在3.39 μm紅外光入射條件下，基于photogating機(jī)制的器件增益為3.15×10?，且碲烯的穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于BP，被認(rèn)為在中紅外高增益探測(cè)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

然而根據(jù)大多數(shù)基于單一低維材料的photogating光電探測(cè)器件實(shí)驗(yàn)報(bào)道結(jié)果，由于載流子被俘獲會(huì)延長(zhǎng)過(guò)剩少子的壽命，因此高增益是以延遲了器件的響應(yīng)時(shí)間為代價(jià)獲得的，只適用于追求高響應(yīng)度而不要求快速響應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)合。

基于低維材料復(fù)合體系的高增益探測(cè)器

通過(guò)構(gòu)建不同低維材料的異質(zhì)結(jié)復(fù)合體系，有望在探測(cè)器中充分發(fā)揮photogating機(jī)制的高增益特性的同時(shí)獲得快速響應(yīng)，量子點(diǎn)由于出色的光吸收能力通常作為光敏層，二維材料則作為溝道層，此時(shí)器件的探測(cè)波長(zhǎng)由量子點(diǎn)的吸收波段決定，因此利用紅外吸收量子點(diǎn)可以拓展可見(jiàn)光二維材料探測(cè)器的響應(yīng)波段，即響應(yīng)波長(zhǎng)不再受到二維材料帶隙的限制。近年來(lái)，不斷有零維-二維材料復(fù)合結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器被提出，包括零維PbS-二維石墨烯、零維HgTe-二維MoS?等，不僅探測(cè)波長(zhǎng)可以拓展到中紅外波段，而且器件具有極高的增益和外量子效率。為了進(jìn)一步提升復(fù)合體系界面的電場(chǎng)和載流子收集效率，I.Nikiskiy等人提出了在石墨烯光電晶體管垂直方向集成PbS量子點(diǎn)光電二極管，器件的結(jié)構(gòu)如圖7（a）~7（b）所示，此時(shí)二極管特性決定了器件的響應(yīng)速度，其3 dB帶寬達(dá)到1.5 kHz，同時(shí)利用石墨烯優(yōu)異的載流子輸運(yùn)特性，器件的增益仍高達(dá)10?，外量子效率超過(guò)70%（見(jiàn)圖7（c））。除了常見(jiàn)的膠體量子點(diǎn)以外，研究人員也在不斷嘗試其他新型零維納米結(jié)構(gòu)，2017年，浙江大學(xué)Z.Ni等人利用重?fù)诫sSi量子點(diǎn)與石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管復(fù)合（見(jiàn)圖7（d）~7（f），在紫外-近紅外波段基于photogating效應(yīng)器件的光增益高達(dá)1012，同時(shí)在中紅外波段利用重?fù)诫sSi量子點(diǎn)的表面等離激元共振增強(qiáng)機(jī)制提升了器件的響應(yīng)度。上述研究工作為研制兼具高增益和快速響應(yīng)性能的紅外探測(cè)器件提供了新的途徑，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)室溫工作的高效紅外單光子探測(cè)。

圖7 膠體PbS量子點(diǎn)和石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)光電晶體管（a）光學(xué)顯微鏡圖片和（b）結(jié)構(gòu)示意圖，其中ITO、PbS和石墨烯在垂直方向形成光電二極管結(jié)構(gòu)；（c）器件的響應(yīng)度和外量子效率；Si量子點(diǎn)-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)（d）光電響應(yīng)機(jī)制示意圖以及器件的（e）響應(yīng)度和（f）寬光譜光電增益

總結(jié)與展望

紅外單光子探測(cè)器對(duì)于量子信息技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展至關(guān)重要，半導(dǎo)體雪崩效應(yīng)光電探測(cè)器是目前發(fā)展最成熟的單光子探測(cè)器，基于雪崩倍增機(jī)制可以工作在室溫條件，并具有高帶寬和高增益的優(yōu)點(diǎn)。然而，基于半導(dǎo)體的紅外雪崩效應(yīng)探測(cè)器由于后脈沖和噪聲等問(wèn)題，其探測(cè)率、暗噪聲等性能難以突破是其面臨的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題。與此同時(shí)，人們也在探索基于新型材料的高增益、超靈敏紅外探測(cè)技術(shù)，低維材料，包括一維納米線和二維材料，由于它們巨大的比表面積以及獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)等新穎的物理特性，被認(rèn)為最有潛力實(shí)現(xiàn)新一代高性能紅外光電探測(cè)器。

近年來(lái)，人們圍繞著低維材料的制備、器件設(shè)計(jì)以及新型增益放大機(jī)制等方面開(kāi)展了一系列研究工作，為研制高增益、低成本、低功耗和集成化的室溫工作紅外單光子探測(cè)器提供了新的可能。但不可否認(rèn)的是，基于低維材料的單光子探測(cè)技術(shù)發(fā)展仍不成熟，大部分研究工作僅展示了器件的高增益特性及其單光子探測(cè)理論可行性，離紅外單光子探測(cè)實(shí)用化仍有很遠(yuǎn)的距離，未來(lái)可從以下幾方面加以關(guān)注：第一，基于單一低維材料以及復(fù)合體系的高增益機(jī)理仍需要進(jìn)一步探索，例如通過(guò)結(jié)合微觀多物理場(chǎng)表征手段，從而闡明載流子的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，為構(gòu)建低維材料高增益紅外探測(cè)器件結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。第二，針對(duì)器件的紅外單光子探測(cè)性能提升問(wèn)題，需要在材料制備、電學(xué)接觸特性以及有源層與紅外光相互作用的增強(qiáng)等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。第三，探測(cè)器與量子點(diǎn)等新型單光子源的單片集成技術(shù)也是未來(lái)實(shí)現(xiàn)量子信息系統(tǒng)芯片化和柔性化的重要研究方向。通過(guò)理論研究的深入以及器件加工測(cè)試水平的提升，低維材料高增益探測(cè)技術(shù)對(duì)于推動(dòng)高性能紅外單光子探測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展將發(fā)揮關(guān)鍵作用。

審核編輯：劉清