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第412章 单光子探测器上（第1页）

量子通信的第一步，是做出单光子探测器。没有探测器，光子来了你也看不见。2005年春天，秦念来到半导体所。方明华的实验室在半导体所最旧的那栋楼里，墙上长着霉斑，窗户关不严，冬天冷得像冰窖。但就是在这个破旧的实验室里，方明华做了二十多年雪崩光电二极管，是国内这个领域绝对的权威。秦念进去的时候，方明华正蹲在实验台前，手里拿着一个镊子，小心翼翼地夹着一个比米粒还小的芯片。“方老师。”方明华头都没抬。“等会儿。这块芯片我焊了半个小时了。”秦念就站在那里等。她看着方明华的手——那双手很稳，镊子尖精准地对准了芯片上的焊盘，电烙铁轻轻一点，焊锡熔化，形成一个完美的焊点。五分钟后，方明华放下镊子，抬起头。“秦总师，什么风把您吹来了？”“我需要一种能探测单个光子的探测器。暗计数率低于100赫兹，探测效率高于20。”方明华听完，沉默了很久。然后他笑了。不是高兴的笑，是苦笑。“秦总师，您知道现在国际上最好的水平是多少吗？”“知道。暗计数100赫兹，探测效率20。普林斯顿大学做的。”“那您知道我现在的水平是多少吗？”“您说。”方明华站起来，走到实验台前，拿起一块芯片。那块芯片只有两毫米见方，上面有肉眼几乎看不见的细微结构。“暗计数1000赫兹，探测效率5。差了一个数量级。”他抬起头，看着秦念。“秦总师，我跟您说实话。这个差距，不是一年两年能追上的。材料、工艺、设备，每一项都差。国内没有做这种器件的经验。我做了二十年雪崩二极管，最好的产品用在光纤通信上，探测普通光信号没问题。但单光子？那是另一个世界。”秦念走到实验台前，看着那块比米粒还小的芯片。她启动了【微观结构洞察】。视野里，芯片的结构一层一层地展开。她看到了p型区、n型区、耗尽层——每一个掺杂浓度、每一个结深、每一条金属连线。“方老师，您现在的结构是普通的雪崩二极管。单光子探测需要不同的结构。”她在笔记本上画了一张图。“分离吸收区与倍增区。吸收区用窄带隙材料——gaas，吸收光子产生电子-空穴对。倍增区用宽带隙材料——p，让电子发生雪崩倍增。两个区域分开，暗计数可以降下来。”方明华盯着那张图，看了很久。“分离吸收区与倍增区……这个结构，理论上可行。但工艺难度极大。两个区域之间的界面态会很多，电子在界面处被俘获，反而可能增加暗计数。”“界面态的问题，可以用‘电荷层’解决。”秦念在图上加了一层。“在吸收区和倍增区之间，插入一层薄薄的电荷层。掺杂浓度精确控制，可以耗尽界面处的载流子，抑制暗计数。”方明华的眼睛亮了。他的手开始发抖——不是害怕，是兴奋。“秦总师，这个思路，您是从哪里来的？”秦念没有回答。她不能说这是她在虚境实验室里推演了几百次的结果。“方老师，您就说，能不能做？”方明华深吸一口气。“能。给我一年。”方明华说的“一年”，是认真的。他关了实验室里所有其他项目，把全部精力投入到单光子探测器的研发中。他亲自设计版图，亲自跑流片，亲自做测试。第一次流片，用了三个月。芯片回来的时候，方明华迫不及待地把它装到测试台上。探针卡精准地接触到芯片上的焊盘，示波器上跳出了信号。但信号不对。暗计数不是降了，是升了。1500赫兹。比老结构还高。方明华的脸沉了下来。“界面态。”他说，“分离区的界面态比预想的多了一个数量级。电子在界面处被俘获，然后释放，产生的噪声比雪崩信号还大。”秦念接到电话的时候，正在西昌出差。“方老师，不要急。界面态的问题，用‘电荷层’方案试试。”“试过了。电荷层的掺杂浓度怎么都控不准。ocvd设备的均匀性不够。”秦念沉默了几秒。“我去协调。中科院半导体所有一台新的ocvd，均匀性比你们的好。我跟他们打个招呼，你去用。”第二次流片，又用了三个月。这一次，暗计数降到了800赫兹，但还是不够。探测效率只有8，离20的目标差得远。方明华在电话里的声音很疲惫。“秦总师，吸收区和倍增区的厚度比例不对。我们算了十几种组合，都不理想。”“我来看看。”秦念飞到北京，直接去了半导体所。，！她站在测试台前，看着那些数据，启动了【微观结构洞察】。视野穿过芯片的表面，进入内部。她看到了吸收区——gaas层的厚度是15微米。她看到了倍增区——p层的厚度是08微米。“比例不对。”她说，“吸收区太薄了。光子还没被完全吸收，就穿过去了。探测效率当然低。”“加厚吸收区？”“对。加到25微米。但加厚之后，载流子输运时间变长，响应速度会下降。所以倍增区也要加厚，保持电场强度。”方明华在笔记本上飞快地算着。“吸收区25微米，倍增区12微米……这个比例，理论上探测效率能到25。”“那就做。”第三次流片。方明华站在测试台前，手指悬在启动键上方，迟迟没有按下去。秦念站在他旁边。“方老师，怕了？”“怕。”方明华说，“前两次都失败了。这次如果再失败，我没脸见您。”“失败了我也不会吃了你。”秦念说，“按吧。”方明华深吸一口气，按下了启动键。测试开始了。探针卡接触芯片，电压一点一点地加上去。示波器上的信号开始跳动。暗计数：80赫兹。方明华的手抖了一下。探测效率：22。他的眼眶红了。“秦总师，成了。”秦念看着那些数字，沉默了三秒。“方老师，您辛苦了。”方明华摘下眼镜，用手背擦了擦眼睛。“秦总师，您知道吗？这玩意儿做出来之后，我给一个国际同行发了封邮件，告诉他我们的结果。他回了一句话——‘你们中国人，是不是作弊了？’”秦念皱起眉头。“你怎么回的？”方明华笑了。“我说——‘我们中国人，不作弊。我们只是比你们更拼命。’”：（）七零空间大佬：家属院搞科技强国