红外雪崩光电二极管的工作原理和发展趋势

由于雪崩倍增效应在近红外（NIR）、短波红外（SWIR）、中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）波段范围内具有放大机制，因此可用于探测低功率光信号甚至于单个光子。用于远程军事及空间应用等领域的先进激光雷达（LiDAR）和武器系统必须能够在多种大气条件下（包括CO、CO2和H2O蒸汽等气体的吸收）探测、识别并跟踪各类目标，其中各类气体的吸收会导致光学系统中信号的显著衰减。

据麦姆斯咨询报道，由来自波兰华沙董布罗夫斯基军队技术学院应用物理研究所（Institute of Applied Physics, Military University of Technology, Poland）和中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室的Piotr Martyniuk教授领导的科研团队在Light: Science & Applications期刊上发表了以“Infrared avalanche photodiodes from bulk to 2D materials”为主题的论文。该论文的第一作者和通讯作者为Piotr Martyniuk。这篇论文综述了红外雪崩光电二极管（APD）的发展现状和未来趋势；涵盖了块体材料碲镉汞（HgCdTe）和Ⅲ-Ⅴ族材料体系，包括众所周知的“第三波（third wave）”系列材料之一：超晶格（SL）。

图1 从块体材料到低维材料的雪崩光子传感技术的方法、技术及应用路线

这种被抑制的输出信号需要一个额外的放大器，以及在检波器级正确探测信号的系统。基于APD的器件表现出高宽带（BW）与高增益（M）——高增益带宽积（GBW）以及低过量噪声[F(M)]等特性，非常适合远程应用中被抑制的光信号的探测，例如自由空间光通信（FSO）、夜视、光探测和测距（LiDAR）、飞行时间（ToF）、智能机器人以及军事应用（最终战场条件）等。

形成这种趋势的主要原因无疑是转向光学量子信息应用（如量子密钥分发，QKD）的发展所致。这些应用对探测器的性能提出了严格的要求，同时这些要求与公认的典型APD性能不同。因此，提高GBW并抑制F(M)一直是APD进步的关键目标。

图2 APD的工作原理

抑制F(M)的方法可分为三种策略：（1）选择一种具有助益倍增特性的材料（包括“第三波（third wave）”材料及其技术）。（2）大幅抑制F(M)可以通过缩放雪崩层来利用倍增效应的非局部作用达到。（3）利用巧妙设计的异质结构的冲击电离工程（I2E）来实现。

图3 APD器件设计的发展演变

材料的选择对于APD的性能至关重要。常见的材料包括InGaAs、Ge、HgCdTe以及超晶格等，它们在不同波长范围内具有不同的灵敏度和性能。

图4 铟镓砷（InGaAs）/磷化铟（InP）SAM-APD

图5 低噪声光电倍增管（PMT）与多量子阱APD的器件结构比较

二维（2D）层状材料及其范德华（vdW）异质结构也属于“第三波（third wave）”系列材料，可用于包括单光子计数技术的雪崩倍增领域。在过去十年中，关于二维光电探测器的研究数量有着惊人的增长，然而，这些材料因薄原子性质而表现出低吸收。冲击电离导致载流子倍增是一种制备高探测效率二维光电探测器的有效方法。

图6 低维固体雪崩光电探测器

与标准块体材料相比，二维材料表现出如机械柔性、强光-物质耦合、自钝化表面以及栅极可调谐费米能级等诸多特殊能力。这些材料的特点在于不同的冲击电离系数随载流子输运方向而变化。此外，在二维材料中不仅存在传统的冲击电离效应，还存在弹道雪崩机制。

因此，研究具有雪崩倍增的低临界电场特征的创新材料对于实现高能效光电器件具有重要意义。传统材料中的雪崩倍增机制受到高驱动电压的限制，而基于二维材料的APD可以规避高驱动电压的制约。

此外，这项研究还介绍了高性能红外APD的新材料和新架构的最新进展，包括创新型“第三波（third wave）”二维材料以及实现高性能APD的策略。

审核编辑：汤梓红