单光子探测的进化

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单光子探测的进化 [复制链接]

前言

单光子检测已成为许多应用中不可或缺的工具——单分子荧光、粒子散射表征、量子密码学、天文学、激光雷达等。单光子检测在原理上似乎很简单:一个光子在光电二极管中或在撞击金属表面时会产生一个电子。然而，检测到那个电子并不容易。

光电效应

德国物理学家赫兹在 1887 年观察到紫外辐射与金属电极可产生电火花。在 20 世纪初，人们发现从金属表面发射的粒子（我们现在称为电子）数量与光的强度成正比，电子的最大动能与辐射的频率成正比，而且还存在一个最小频率，低于该频率就不会发射电子。根据这项工作与普朗克对黑体辐射的研究，爱因斯坦于1905年发表论文提出光能以离散的形式存在（现被称为光子）并且光子的能量和光的频率有关，只有频率足够高的光子才有充分的能量从特定材料中激发出电子，进而解释了光电效应。

光子的概念和光电效应清楚地表明，可以通过检测被发射的电子来检测入射的光子。虽然原理简单，并且当大量光子释放大量电子时检测相对容易做到，但对单个电子、光子的检测仍然是一项有挑战的任务。

图2：固体中的光电效应

光电倍增管

L. Austin 和 H. Starke 在 1902 年对金属反射电子进行研究，发现了非常重要的次级电子（二次电子， secondary emission）效应。他们发现，受阴极射线管中电子束影响的金属表面发射的电子数量比入射到金属表面上的电子数量多。这项工作致使将二次电子效应应用于信号放大功能。

1934 年 RCA 实验室将光电阴极（photocathode，应用光电效应来产生电子）和二次电子发射极组合，发明了世界上第一个光电倍增管（photomultiplier tube, PMT）。这个 PMT的增益大约为 8，即单个光子可以释放 8 个电子。随着光电阴极和多个放大极的进一步组合改进，可以在线性模式下实现 106 的典型增益，即单个光子可以释放106个电子。

图3：典型光电倍增管示意图

增益与施加电压成正比。在检测单光子时，倍增极上的电压可以增加到非常高的水平，以使来自光电阴极的单个光电子在输出电路上产生非常大的电流。这个状态往往是持续的，因此需要电子控制设备来检测电流并重置 PMT。重置时无法检测光子，从而导致了没有电子倍增的死区时间。这种操作模式因为在原理上类似于盖革计数器，被称为盖革模式。

还应注意，光电阴极的转换效率并非 100%，因此不是每个光子都会产生一个电子。用于光电阴极的材料也很重要——不同的材料有不同的响应波长范围。这是因为不同的材料具有不同的光子能量，低于该能量时它们不会发射电子。当然，电子也可以由于光辐射以外的原因而发射，例如热离子发射，其中给予电子的热能使其有足够的动力从电极逸出，即“暗电子”。当在盖革模式下运行时，“暗电子”会在无光子的情况下产生“暗计数”。

检测低光的能力使 PMT 成为许多不同应用中的重要工具，包括天文学、核粒子物理学和生物医学仪器等。

然而，PMT依然存在缺点：对过度曝光非常敏感，很容易因暴露于环境光而受损；它们通常在1-2000V 阴阳极电压差下运行，阳极通常处于较低正电压状态以便更容易地测量光电流——这意味着阴极处于较大的负电压状态；PMT 也非常容易受到磁场的影响，从而导致增益损失，因此需要磁场屏蔽。

光电二极管

1939 年贝尔实验室发明的 p-n 结，为单光子检测提供了另一种途径——光电二极管。p-n结是半导体单晶内不同掺杂区域p和n之间的界面。“p”，或结的正电一侧，在晶格中缺少电子，缺少的电子被称为“空穴”。“n”表示负电，在晶格中具有过量的电子。这样的p-n结构会产生一个最简单的二极管。根据二极管的材料使用正确波长的光辐射，将通过光电效应在p-n结内的耗尽区产生电子空穴对以及内电场（n→p）。在耗尽区产生的反向内电场势垒会阻止p中的空穴大量扩散到n中，也会阻止n中的电子大量扩散到p中。施加正向偏置时（正极连接p，负极连接n），会克服内部势垒，允许电流单方向由p到n通过。即使没有光照，此时也能检测出由空穴和电子扩散所产生的电流，难以很好的区分检测光电流。当施加反向偏置（正极连接n，负极连接p）时，加强了势垒，只能流过微弱的反向电流，然而当具有足够能量的光线照射在耗尽层时，产生了电子空穴对，现有的电场把电子移动到阴极（正极），空穴移动到阳极（负极），从而产生更强的反向光电流，并被有效且快速的检测到。光强越大，光电流就越大。

图4：p-n结进行反向偏置时，无光照和有光照的对比示意图（图源：Art Pini）

由 Jun-ichi Nishizawa 等人在 1950 年发明的 PIN 结也是光电二极管的理想选择。在 p 型和 n 型区域之间添加未掺杂区域或“本征”半导体（i区域）允许增加掺杂水平，导致更高水平的电荷载流子，从而提高操作速度。PIN 光电二极管现在被用于许多应用中，如光纤通信、医疗仪器和激光警告系统等。

但从单光子检测的角度来看，无论是p-n结还是PIN结，它们仍然仅限于一个光子产生一个电子。无法进行单光子检测。

幸运的是，与 PMT 类似，在 PIN 光电二极管中添加内部电流增益区域会将其变成雪崩光电二极管（ APD）。APD 由上述 Nishizawa 教授于 1952 年发明，它使用仔细的掺杂结构来承受施加的更高电压，从而在结区域内产生高电场。这些高电场加速光电子，使它们通过碰撞电离释放其他电子，从而产生内部电流增益，通常为 100，这是 APD 的关键特征。所以现在单个光子可以产生 100 个光电子——比一个要好，但仍然不足以被探测。

1960 年代，加拿大 RCA （现为埃赛力达研制SPCMs的地点） 的 Robert McIntyre 研究了硅中的微等离子体的不稳定性。这反过来又促使他研究了盖革模式下 APD 的行为。将反向偏压升高到足以自发地产生 APD 内的持续雪崩，与之前描述的PMT原理相似。使用盖革模式的 APD，与 PMT 相同，单个光子可以产生足够可检测的电流——成功！

问题也出现了，如果没有控制 APD 的方法，一旦光电子/暗电子产生雪崩，并且产生自持电流，APD 即刻失效，无法继续检测单光子。

RCA 的工作从两方面解决了这个问题。

首先，硅晶体生长的改进促进了 1986 年超低电离系数或 k 因子 APD 的发展（SLiK APD）。SLiK APD 可以偏向上述击穿状态，却因缺少暗电子的刺激而避免引发雪崩。冷却 APD 可以显着减少热电子发射，因此增加了检测入射光子的时间。

其次，我们需要在雪崩开始后停止它。向偏置电路添加串联电阻，当电流开始流动时，偏置电压会大部分集中在电阻上，从而在 APD 上留下更少的电压。最终，APD 两端的电压变得如此之低，以至于光电流降至零并且无法自启动，即整个电路电流返回到零，这会导致电阻两端的电压也变为零，从而使 APD 两端的电压重新回到较高值，此时 APD 已准备好检测另一个光子。

图5：经典APD的结构示意图