芯耀
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近年來也有很多新型SPAD/APD器件被提出，這一類器件大部分還在預(yù)研階段，暫未走向商用。本節(jié)內(nèi)容主要對當(dāng)前學(xué)界前沿的SPAD研究進行一個綜述。(篇幅和時間原因本次先總結(jié)部分，后續(xù)將持續(xù)更新)
Angle-Sensitive SPAD
Angle-Sensitive SPAD通過在每個SPAD上面做了一組微小的金屬光柵實現(xiàn)對入射光線角度的選擇性透過。也就是說根據(jù)光線的入射角度（光線從哪個方向斜著射進來），這些光柵會讓光線通過或被阻擋。這相當(dāng)于每個像素不僅能探測有沒有光，還能“感覺”到光是從哪個方向來的。
圖1 角度分辨SPAD器件結(jié)構(gòu)示意圖[1]
這一光柵設(shè)計主要借助的是Talbot效應(yīng)實現(xiàn)的，當(dāng)平行光穿過周期性光柵時，會在特定距離（Talbot距離）后重現(xiàn)光柵的像，衍射圖案的偏移量由入射角。光子入射時，在頂層光柵處發(fā)生衍射，若衍射明條紋對齊底層縫隙則光子穿過，反之光子被阻擋，通過這一原理實現(xiàn)對特定入射角度的透過。具體的器件結(jié)構(gòu)如下圖所示：
圖2 SPAD（Angle-sensitive SPAD）器件結(jié)構(gòu)示意圖[1]
通過構(gòu)建對不同入射角響應(yīng)的像素即可實現(xiàn)對角度具備分辨能力的傳感陣列。比如在熒光成像中實現(xiàn)對熒光方向的解析。此外角度信息還可以實現(xiàn)光線追跡，從而獲得光流信息。
基于超晶格臺階型能帶結(jié)合的APD
傳統(tǒng)APD的隨機碰撞電離過程導(dǎo)致過量噪聲，限制其在高靈敏度場景的應(yīng)用。與此同時，光電倍增管（PMT）雖具備高增益與低噪聲特性，但其體積龐大、需高壓驅(qū)動且易受電磁干擾，難以滿足現(xiàn)代集成化需求。針對這一矛盾，美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校等團隊提出一種革命性的多級階梯式APD結(jié)構(gòu)（multistep staircase APD），成功融合PMT的噪聲優(yōu)勢與APD固態(tài)器件的集成潛力。
傳統(tǒng)APD通過均勻高電場引發(fā)隨機碰撞電離，而階梯式APD的靈感源自PMT的多級倍增原理，其核心原理如圖5.2. 25 staircase APD倍增原理[33]所示，在原本的APD結(jié)構(gòu)中通過能帶工程引入階梯式“能帶臺階”，從而實現(xiàn)與PMT類似的倍增機制。值得一提的是，由于價帶沒有不連續(xù)性，因此不會發(fā)生空穴引發(fā)的碰撞電離。局域的、單載流子引發(fā)的碰撞電離事件，使得其具有低噪聲性能
圖4 staircase APD倍增原理[2]
研究團隊采用AlInAsSb（鋁銦砷銻）四元化合物材料，通過分子束外延（MBE）技術(shù)構(gòu)建基于超晶格的多級異質(zhì)結(jié)階梯結(jié)構(gòu)，如下圖staircase APD器件結(jié)構(gòu)所示，階梯區(qū)域由Al0.7In0.3As0.31Sb0.69和InAs0.91Sb0.09的漸變組成。
每級階梯的導(dǎo)帶設(shè)計為陡峭躍升，迫使電子在跨越異質(zhì)界面時獲得遠(yuǎn)超材料帶隙的能量，從而觸發(fā)局域化的確定性碰撞電離。這種設(shè)計將傳統(tǒng)APD的連續(xù)隨機增益過程離散化為多級確定性事件，每級階梯貢獻固定2倍增益（總增益為2^N，N為階梯數(shù)），顯著降低噪聲。
圖5 staircase APD器件結(jié)構(gòu)[2]
圖6 staircase APD性能分析
如圖6所示實驗證明，一至三級階梯APD的實測增益隨著臺階級數(shù)增加而按照2^N規(guī)律增加，為與蒙特卡洛模擬預(yù)測高度吻合。更關(guān)鍵的是，過量噪聲因子（F(M)）不隨著M增加而增加，始終低于1.1，接近理論極限（F(M)=1代表無噪聲放大），顯著優(yōu)于傳統(tǒng)APD和PMT（F(M)隨增益增長）。此外，階梯式APD的噪聲功率隨增益呈線性增長，而非傳統(tǒng)探測器的平方依賴，這意味著其在更高增益下有比PMT和APD更好的信噪比。
基于這一原理，該APD可以實現(xiàn)了突破2微米紅外探測的低溫限制，AlInAsSb APD在200–220 K即可實現(xiàn)同等傳統(tǒng)HgCdTe探測器需在125 K以下工作的性能[3]，AlInAsSb APD有望取代傳統(tǒng)HgCdTe，成為中紅外探測領(lǐng)域的核心器件
低壓低噪彈道雪崩APD
在光電探測技術(shù)的發(fā)展歷程中，二維材料基APD探測器的出現(xiàn)為該領(lǐng)域帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)。這類探測器利用二維材料獨特的物理特性和量子效應(yīng)，在較短的傳輸距離內(nèi)就能實現(xiàn)雪崩倍增。以黑磷/硒化銦(BP/InSe)異質(zhì)結(jié)為例，2019年，南京大學(xué)電子學(xué)院王肖沐/施毅課題組與物理學(xué)院繆峰課題組在這一結(jié)構(gòu)中首次發(fā)現(xiàn)其不同于傳統(tǒng)材料的“彈道雪崩”機制，統(tǒng)的雪崩擊穿過程需要強電場激發(fā)，隨機散射嚴(yán)重，這種物理機制將量子彈道輸運與雪崩擊穿過程結(jié)合，利用彈道輸運中電荷幾乎無散射、保持相位相干的量子特性，結(jié)合納米尺度下可控的雪崩效應(yīng)，在實現(xiàn)載流子倍增放大的同時保持低功耗、低噪聲，有望解決傳統(tǒng)雪崩器件所遇到的瓶頸。
圖7 傳統(tǒng)雪崩倍增機制和彈道雪崩機制[4]
借助這一彈道雪崩機制，BP/InSe二維材料APD在中紅外波段(4微米)也能實現(xiàn)高達105的倍增增益，外量子效率可達24.8%，并能在10-180K的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作[4]。
圖8 常見的二維異質(zhì)結(jié)APD器件結(jié)構(gòu)[4-7]
二維材料APD的另一個顯著優(yōu)勢在于其原子級厚度的特性。這種超薄結(jié)構(gòu)使得器件具有獨特的載流子輸運特性，能夠顯著抑制暗電流。通過合理設(shè)計肖特基結(jié)和能帶結(jié)構(gòu)，研究人員成功地將這些器件的暗電流降低了數(shù)個數(shù)量級。此外，二維材料的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)造還為實現(xiàn)高性能探測提供了新的途徑，比如通過調(diào)控層數(shù)來構(gòu)造本征結(jié)，優(yōu)化載流子的雪崩倍增系數(shù)[5]。這些成果表明，二維材料APD有望成為傳統(tǒng)體材料APD的有力補充，尤其是在需要室溫工作、小尺寸、高集成的應(yīng)用場景中。
不過，二維材料APD的發(fā)展仍面臨一些挑戰(zhàn)，如大面積制備工藝的開發(fā)、器件穩(wěn)定性的提升等。但隨著制備工藝的不斷進步和新型二維材料的發(fā)現(xiàn)，這類探測器必將在光通信、激光雷達等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。
參考文獻
Lee, C., et al.,?A 72 x 60 Angle-Sensitive SPAD Imaging Array for Lens-less FLIM.?Sensors (Basel), 2016.?16(9).
March, S.D., et al.,?Multistep staircase avalanche photodiodes with extremely low noise and deterministic amplification.?Nature Photonics, 2021.?15(6): p. 468-474.
Jones, A.H., et al.,?Low-noise high-temperature AlInAsSb/GaSb avalanche photodiodes for 2-μm applications.?Nature Photonics, 2020.?14(9): p. 559-563.
Gao, A., et al.,?Observation of ballistic avalanche phenomena in nanoscale vertical InSe/BP heterostructures.?Nature Nanotechnology, 2019.?14(3): p. 217-222.
Xia, H., et al.,?Pristine PN junction toward atomic layer devices.?Light: Science & Applications, 2022.?11(1): p. 170.
Zhang, Z., et al.,?Approaching the Intrinsic Threshold Breakdown Voltage and Ultrahigh Gain in a Graphite/InSe Schottky Photodetector.?Advanced Materials, 2022.?34(47).
Jia, J., et al.,?Avalanche Carrier Multiplication in Multilayer Black Phosphorus and Avalanche Photodetector.?Small, 2019.?15(38): p. e1805352.
