量子传感器：研究人员和滨松眼光电探测器技术

传感器几乎对任何行业和应用都至关重要；然而，研究人员和公司如何利用光电探测器等技术将传感技术带入量子领域？

随着世界向更智能的设备和系统迈进，对高端传感器技术的需求呈指数级增长。此外，传感器不仅需要提高性能以应对这些新挑战，而且还必须在占地面积和功耗方面更小。

最近人们非常感兴趣的一个特定传感器是光电探测器。

光电探测器中使用的光电二极管示例。

光电探测器中使用的光电二极管示例。图片由滨松提供

这些设备在各种应用中的灵活性使它们如此有吸引力，因为这些传感器可用于环境传感、物体检测以及数据传输和处理。

所有这些应用都需要在高速和低功耗下运行，这促使许多人走向量子领域来构建他们的光电探测器，结果正在带来回报。

尽管量子领域的传感仍处于起步阶段，但在本文中，我们将总结一些最近的研究和正在创建的设备，以迈出量子传感技术的下一步。

胶体量子点（CQD）技术的量子传感

最近，其中一个量子光电探测器是通过量子点建造的。更具体地说，光子科学研究所（ICFO）的研究人员在《自然光子学》上发表了一份报告，详细介绍了他们使用胶体量子点（CQD）技术开发的溶液处理红外激光器。

ICFU的激光器采用CQD技术。

ICFU的激光器采用CQD技术。图片由ICFO提供

CQD由CQD光电探测器综述论文定义，是一种在溶液相中合成和加工的纳米结构材料。

这些激光器在室温下工作，更重要的是，它们与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术直接兼容。这种兼容性是优化系统设计的一个关键方面。

总体而言，这些激光器在电信范围内具有可调的输出波长，从而实现了芯片间或芯片内的光通信。

在此之前，红外激光器通常使用掺铒光纤或III-V外延半导体制造，但这些很难制造并与电子设备集成。

正如ICFO团队之前讨论的那样，这种CQD技术已被用于制造光电探测器和LED；然而，在Gerasimos Konstantatos教授的领导下，他们是第一个通过CQD产生激光的人。

用于制造这种激光器的腔经过严格优化，以找到最佳的光学增益和共振。

此外，研究人员设计了传感器的表面来抑制“陷阱状态”，这会导致系统中的过量噪声有利于受激发射。

总而言之，该团队最终希望这一发现能够导致完全集成的硅光子学。

滨松光子学创建量子级联光电探测器

滨松光子学公司也参与了这项工作，因为他们生产了“有史以来第一个”量子级联（QCD）光电探测器，称为P16309-01。

QCD光电探测器的基本结构和气桥布线

QCD光电探测器的基本结构和气桥布线。图片由滨松提供

该探测器在室温下以极高的速度运行，最高可达20 GHz。此外，该器件在4.6μm波长下具有1mA/W的高峰值灵敏度，具有出色的信噪比（SNR）。它的设计最大限度地减少了内部的暗电流。

凭借全球最高的响应时间，滨松认为这是整个红外光谱中红外QCD传感器系列的开始。

量子阱光电探测器

最后，根据《自然》杂志发表的一篇文章，一种新材料正被用于金属半导体金属（MSM）量子阱光电探测器的结。

所提出的光电探测器示意图

所提出的光电探测器的示意图。图片[修改]由罗等人提供

自MSM设备问世以来，由于其固有的高响应速度，MSM设备一直是人们感兴趣的领域。此外，与CQD技术类似，它们很容易集成到CMOS技术中。

然而，由于这些器件的结的制造，它们一直存在与暗电流有关的问题，因为金属沉积过程会导致化学无序，从而导致量子隧穿电流效应。

这种效应是暗电流的来源，使得MSM技术难以使用。

除此之外，在这个过程中通常使用不透明的金属，它们会反射一些入射光被吸收，从而降低传感器的响应能力。

本文研究了一种名为MXene的新型二维材料，其通式为：

解释：

n=1,2,3

M是一种早期过渡金属

X是碳和/或氮原子

Tx是表面终止官能团，通常是氧、氢氧化物和/或氟化物

这种新型材料在导电性方面具有金属的优点，但也具有柔性、亲水性、良好的传输性，最重要的是化学稳定性，因此可以在低温下沉积。

此外，它具有可调的功函数，使其成为具有多种不同类型半导体材料的MSM器件的可行选择。在任何一种情况下，它都可以通过没有化学紊乱来最大限度地减少暗电流，使其他人能够充分利用MSM技术。

可以看出，当前的需求要求非常严格，我们必须进行纳米级优化来满足这些要求。

因此，量子领域是解决当今市场问题的唯一途径，因此，将继续使我们的世界更加互联、高效和智能的传感器将成为量子传感器。