从块状到二维：红外雪崩光电二极管技术的演变

雪崩倍增效应可用于感应低功率光信号，甚至是单光子，这要归功于短波（SWIR）、近红外（NIR）、中波（MWIR）和长波红外辐射（LWIR）范围内的放大机制。

图 雪崩光子传感技术的方法、技术和应用路线图，从块体材料到低维材料。图片来源：中国科学院

应用于太空和远程陆军的先进激光雷达和武器系统必须在各种大气环境下感测、识别和监测不同的目标，这些大气环境包括 CO2、CO 和 H2O 蒸汽的吸收，从而导致光学系统中信号的大量衰减。

除了在探测器阶段正确感测信号的系统外，输出信号抑制还需要额外的放大器。雪崩光电二极管（APD）具有高带宽（BW）和高增益（M）--同时具有高增益带宽积（GBW）和低过量噪声[F(M)]--的特点，这些器件非常适合在夜视、自由空间光通信（FSO）、光探测和测距（激光雷达/激光雷达）、飞行时间（ToF）、智能机器人等长距离应用中感知被抑制的光信号，并最终用于战场条件（军事应用）。

不可否认，这种趋势的一个重要原因是光量子数据应用的发展，如量子密钥分发（QKD）。此类应用对探测器性能提出了苛刻的要求，而这些要求与成熟的典型 APD 的性能大相径庭。

因此，提高 GBW 和降低 F(M) 已成为 APD 发展的重要目标。抑制 F（M）的技术可分为三种策略。最初的方法可能是选择一种具有有益倍增特性的材料（与 "第三波 "材料及其方法相加）。之后，可以通过扩大雪崩层来利用倍增效应的非局部效应，从而大大限制 F(M)。最后一种方法可大致分为使用正确设计的异质结的冲击电离工程（I2E）。

第三波 "组的成员--二维（2D）层状材料及其范德华（vdW）异质结构，可用于雪崩倍增行业，包括单光子计数方法。在过去的十年中，与潜在的二维光电探测器相关的研究论文数量有了显著增长。冲击电离导致载流子倍增是制造具有高探测效率的二维光电探测器的一种潜在方法。

与标准块体材料相比，二维材料具有多种突出特性，如强光-物质耦合、机械灵活性、自钝化表面和栅极可调费米级，从而为异质结构设计提供了灵活性。这类材料的定义是，其冲击电离系数随载流子传输方向而变化。

此外，在二维材料家族中，传统的冲击电离和弹道雪崩机制都受到关注。因此，研究由雪崩倍增的低临界电场定义的创新材料对于实现高能效的电/光电设备非常重要。在传统材料中，雪崩倍增机制一直受到高驱动电压的限制，而基于二维材料的 APD 则可以规避这一问题。

波兰军事技术大学应用物理研究所的 Piotr Martyniuk 教授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共同作者组成的研究小组在《光科学与应用》（Light Science & Application）杂志上发表了一项新研究，展示了基于红外的 APD 的现状和未来发展。研究包括块状 HgCdTe、基于 AIIIBV 的材料系统以及公认的 "第三波 "材料家族成员--超晶格。

此外，还介绍了用于高性能红外 APD 的新材料和架构的现有进展，包括突破性的 "第三次浪潮 "二维材料。此外，还介绍了实现高性能 APD 的策略。

参考资料：

Martyniuk, P., et al. (2023). Infrared avalanche photodiodes from bulk to 2D materials. Light: Science & Applications. doi.org/10.1038/s41377-023-01259-3​

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