光电探测器领域又一重要突破，有望用于量子信息生物医疗等领域

　　＂ 单光子雪崩探测器是国民经济和国防战略所急需的技术制高点之一， 目前高性能雪崩光子计数器主要被日本和欧美巨头公司垄断，在国内属于‘卡脖子’技术。本成果具有很强的实用价值，可使中国在该领域摆脱国际封锁，占领技术制高点。 具体应用包含且不限于生物医学成像、量子通信、深空检测和激光雷达。 ＂清华大学北京信息科学与技术国家研究中心助理研究员郑纪元表示。
　　图 | 郑纪元（来源：资料图）
　　最近，他和团队 提出了一种通过动态忆阻器淬灭雪崩光子计数器的方法， 可有效突破雪崩光子计数器的的 RC 延迟问题（集成电路中由电阻（R）控制电容（C）充放电过程引起的信号延迟），从而提升雪崩光子计数器的计数速率。
　　其表示：＂该方法为忆阻器的工作模式开辟了新道路，传统忆阻器使用的是串联电阻或者晶体管的方式，而本方法将忆阻器与容性器件雪崩光子计数器进行串联，并分析了其动态特性，是非常重要的尝试。＂
　　近日，相关论文以《基于自适应电阻开关的单光子雪崩光电探测器的动态猝灭》（Dynamic-quenching of a single-photon avalanche photodetector using an adaptive resistive switch）为题，发表在   Nature Communications   上，并被杂志评为 Featured Article（近半年以来 50 篇最佳主题论文之一），郑纪元兼任第一作者和通讯作者。
　　图 | 相关论文（来源：Nature Communications）
　　此＂雪崩＂非彼＂雪崩＂，却都起源于＂小波澜＂
　　通常，大家熟知的雪崩是指发生在巍峨高大雪山里的雪崩。而该研究的雪崩是发生在微纳尺度的半导体世界，在雪崩光子计数器（SPAD，Single Photon Avalanche Diode）中，微弱的单光子信号可以在半导体材料中触发雪崩效应，产生海量电子并被外电路感知。
　　雪崩光子计数器的雪崩一旦发生便很难自行停止，而强大的电流又易引起器件的热击穿，造成不可逆转的损伤。为了保护雪崩光子计数器，通常需要外加淬灭电路对雪崩进行淬灭，这种工作模式叫做盖格模式。
　　（来源：Nature Communications）
　　按照淬灭方法，可分为被动淬灭、主动淬灭和时钟淬灭。不同的淬灭机制，会给系统带来不一样的时间响应特征。对这三种单光子雪崩探测器，做以下详细介绍：
　　1、被动淬灭型单光子雪崩探测器
　　被动淬灭型单光子雪崩探测器，是指使用大电阻和雪崩光子计数器串联。当雪崩电流产生时，电阻分压增加、雪崩光子计数器的分压降低，雪崩即可停止。随后，雪崩光子计数器被充电，从电阻重新分得电压，并逐渐恢复对单光子的探测能力。
　　被动淬灭的优势在于系统比较简单。将雪崩光子计数器和淬灭电阻串联在一起，或将薄膜电阻直接集成在雪崩光子计数器的电极之上形成串联，即可用印制电路板。
　　而硅基雪崩光子计数器可以集成 N 型金属-氧化物-半导体或者 PMOS（n 型衬底、p 沟道靠空穴的流动运送电流的 MOS 管；全称 ：positive channel Metal Oxide Semiconductor）完成被动淬灭。
　　其中，SiC、GaN、InGaAs、InAs、HgCdTe 等材料的雪崩光子计数器，可以集成薄膜金属电阻完成被动淬灭。
　　然而，雪崩光子计数器具有比较大的结电容 C，在雪崩充放电过程中会给系统带来延时。特别是在外部电路引入的大阻抗 R 的情况下，会与结电容 C 形成很大的储备池，延时时间通常会在μs 量级以上。
　　在雪崩光子计数器恢复过程中，器件的电压低于外加额定电压，这时候单光子探测效率较低，入射的光子很可能被损耗掉而不是被探测出来。
　　因此，限制雪崩光子计数器的计数速度和感光面尺寸的核心问题在于 RC 延迟。电容 C 主要取决于探测器感光面积。感光面直径大于 100 μm 的器件响应时间通常都超过 1 μs。而感光尺寸减小后的探测器又会错失探测到有效信号光的机遇。
　　国际上对于该问题有多种解决思路。其中一种是通过减少探测器截面积来降低电容，比如 2001 年，俄国莫斯科工程与物理研究所的一支团队研制了硅光电倍增管（SiPM）。它是将尺寸很小的雪崩光子计数器并联成阵列，每个雪崩光子计数器独立工作，产生的雪崩脉冲通过并联输出，此方法不仅具有光子数的识别能力，同时计数速度也快。
　　然而，有利就有弊，这种方法一方面增加了器件制备的复杂度，另一方面由于雪崩光子计数器之间的空间光学隔离区域没办法探测光子，使得探测过程中光子损耗较大，探测出的数据不够准确。
　　2、主动淬灭型单光子雪崩探测器
　　为了避免被动淬灭过程中充电时间长的问题，1975 年意大利科学家提出了主动淬灭型电路方案，即采用比较器等外部器件构建一个对雪崩光子计数器的负反馈机制。
　　当雪崩产生时，雪崩光子计数器上利用电压快速下降的原理来淬灭雪崩。当雪崩停止后，负反馈机制又将雪崩光子计数器上的电压迅速拉高，使雪崩光子计数器能够快速恢复探测光子的能力。
　　1981 年，第一个主动淬灭型单光子雪崩探测器被制作出来。随后，这种雪崩光子计数器被用于多种实用场景，比如时间分辨的荧光测量、光子相干性测量、激光测速、遥感、测距、光纤光子传感器等等。然而，当雪崩光子计数器所需电压较高的时候（>20 V），特别是器件面积较大时，主动淬灭过程产生的强脉冲可能会导致器件的重新开启或振荡，这时该方法就会面临严峻的挑战。
　　3、时钟淬灭型单光子雪崩探测器
　　在很多应用中，高灵敏的探测器需要在时钟的控制之下工作，比如激光飞行时间测距法、脉冲荧光寿命分析法、光学时域反射计光纤测试法。如果使用光电倍增管来完成这一功能，则需提供数百伏特的高压脉冲。
　　但是，如果使用时钟淬灭型雪崩光子计数器问题会变简单很多。脉冲幅度 Vg 只需比过剩噪声 VE 略大，即可把雪崩光子计数器从关闭状态切换到开启状态。同时，时钟淬灭模式还能有效降低后脉冲效应带来的影响。
　　如果雪崩光子计数器上加载的时钟脉冲，处于低电位状态的时间足够长，缺陷中的电荷就会尽数逃逸出来，这样在时钟高电位状态到来的时候，缺陷中就不会再有载流子来触发计数，也就不会跟后续的光子雪崩脉冲发生串扰。
　　但是，这种雪崩光子计数器也有弊端。一方面，它需要外加时钟脉冲，通用性不强。另一方面，当器件的时钟脉冲处于高电位时，如果发生雪崩则无法自动停止。换言之，雪崩会进行一段时间，直到时钟脉冲低电位状态的到来才会被终止。而发生雪崩的过程，可能会使器件材料发生退化，反而加重了后脉冲效应。
　　综上所述，被动淬灭机制的雪崩光子计数器系统简单、集成工艺兼容性强，可用于 Si、SiC、GaN、GaAs、InGaAs 等材料制备的雪崩光子计数器淬灭系统中。但是计数速度慢，不利于实际应用。
　　主动淬灭和时钟淬灭机制的雪崩光子计数器，采用比较复杂的淬灭电路，虽能显著提升器件计数速度，但这些淬灭机制下的电路与 Si 以外的材料体系不兼容，可移植性较差。另外，由于机理的限制，如果雪崩光子计数器感光面尺寸偏大的话，会使得系统的探测性能变弱。
　　因此，现有的雪崩光子计数器技术主要存在以下两个问题：一是雪崩光子计数器很难同时实现感光面积大并且能高速计数的功能；二是雪崩光子计数器淬灭电路的集成工艺复杂度太高，不利于应用。
　　（来源：Nature Communications）
　　将传统固定电阻换成动态忆阻器
　　针对上述问题，该团队将传统的固定电阻换成了动态忆阻器。为了区别于传统的大固定电阻淬火模式，他把这种方法称为＂智能淬灭型雪崩光电二极管＂。经过实验验证，智能淬灭方法使得高增益单光子雪崩光电二极管的响应速度得到显著提升。
　　据介绍，动态忆阻器具备尺寸小、易于集成、成本低等优点。该方案对于提升 Si 单管雪崩光子计数器计数速率或 SiPM 计数速率都有显著帮助。除此之外，还有望提升 InP 等 III-V 族材料的雪崩光子计数器的计数速率，同时提升其后脉冲效应、抖动稳定性等性能。
　　该工作开始于 2019 年 5 月，当时郑纪元在弗吉尼亚大学电气和计算机工程学院的乔·坎贝尔（Joe Campbell）教授课题组做博士后。
　　期间，他产生了通过忆阻器提升单光子雪崩探测器计数速率的想法，得到了坎贝尔教授的大力支持。后者是美国工程院院士，在光电雪崩探测器领域有超过 40 年的学术积累，他对探测器的行业发展道路有非常敏锐的洞察。
　　（来源：Nature Communications）
　　＂当时我们深聊这个想法，他认为该方法对于未来提升大尺寸雪崩光子计数器速度，抑制红外雪崩光子计数器的后脉冲概率和增强抖动稳定性有很大的好处，因此他非常支持我的想法。由于坎贝尔组里没有完成这项工作所需要的忆阻器制备能力，因此他立即推荐我前往同样是美国工程院院士的芝加哥大学普利兹克分子工程学院苏普拉蒂克·古哈（Supratik Guha）教授的课题组开展第二期博后研究。＂郑纪元说。
　　古哈教授是介电材料生长领域的专家，曾突破了高介电常数材料 Y2O3 在 Si 上的生长难题，是 MOS 管尺寸得以缩小的关键技术。他对于科研极其严谨，甚至达到了苛刻的程度。同时，他也非常重视坎贝尔的推荐，招聘 郑纪元进组后立即对他进行了严格的介电材料研发能力的培训，使其掌握了制备高质量动态忆阻器的知识和技能，很快可以利用实验室设备自主制备忆阻器。
　　而后，郑纪元时常往返于弗吉尼亚大学和芝加哥大学之间，开展＂基于动态忆阻器淬灭原理的单光子雪崩计数器＂的实验。古哈教授很看重这个实验背后的物理机理，他经常与郑纪元深聊动态探测的原理，甚至会亲自上手推导动态探测过程的微积分方程，对于实验现象的理论分析要求极高。
　　（来源：Nature Communications）
　　2020 年 11 月，郑纪元回国后入职清华大学信息国研中心。＂将传统固定电阻换成动态忆阻器＂的这个想法也受到了国研中心主任戴琼海院士和副主任罗毅院士等领导的重视，支持他继续进行该项实验和相关理论分析。由此，经过多方面的坚持和努力才最终获得了今日的研究成果。
　　目前，此方法尚处于研究阶段，距离工业化应用还有一段距离，主要原因在于动态忆阻器的器件间性能均匀性和器件开关寿命等方面对实验研究有一定的限制。这是一个难点，也是该团队未来准备突破的一个关键点。
　　-End-
　　参考：
　　1、Zheng, J., Xue, X., Ji, C. et al. Dynamic-quenching of a single-photon avalanche photodetector using an adaptive resistive switch.   Nat Commun   13, 1517 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-29195-7