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(duì)當(dāng)前學(xué)界前沿的SPAD研究進(jìn)行一個(gè)綜述。(篇幅和時(shí)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(gè)SPAD上面做了一組微小的金屬光柵實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)方向斜著射進(jìn)來），這些光柵會(huì)讓光線通過或被阻擋。這相當(dāng)于每個(gè)像素不僅能探測(cè)有沒有光，還能“感覺”到光是從哪個(gè)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(jì)主要借助的是Talbot效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)平行光穿過周期性光柵時(shí)，會(huì)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(shí)，在頂層光柵處發(fā)生衍射，若衍射明條紋對(duì)齊底層縫隙則光子穿過，反之光子被阻擋，通過這一原理實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)不同入射角響應(yīng)的像素即可實(shí)現(xiàn)對(duì)角度具備分辨能力的傳感陣列。比如在熒光成像中實(shí)現(xiàn)對(duì)熒光方向的解析。此外角度信息還可以實(shí)現(xiàn)光線追跡，從而獲得光流信息。
基于超晶格臺(tái)階型能帶結(jié)合的APD
傳統(tǒng)APD的隨機(jī)碰撞電離過程導(dǎo)致過量噪聲，限制其在高靈敏度場(chǎng)景的應(yīng)用。與此同時(shí)，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(dòng)且易受電磁干擾，難以滿足現(xiàn)代集成化需求。針對(duì)這一矛盾，美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校等團(tuán)隊(duì)提出一種革命性的多級(jí)階梯式APD結(jié)構(gòu)（multistep staircase APD），成功融合PMT的噪聲優(yōu)勢(shì)與APD固態(tài)器件的集成潛力。
傳統(tǒng)APD通過均勻高電場(chǎng)引發(fā)隨機(jī)碰撞電離，而階梯式APD的靈感源自PMT的多級(jí)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(tái)階”，從而實(shí)現(xiàn)與PMT類似的倍增機(jī)制。值得一提的是，由于價(jià)帶沒有不連續(xù)性，因此不會(huì)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(tuán)隊(duì)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(jí)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(jí)階梯的導(dǎo)帶設(shè)計(jì)為陡峭躍升，迫使電子在跨越異質(zhì)界面時(shí)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(jì)將傳統(tǒng)APD的連續(xù)隨機(jī)增益過程離散化為多級(jí)確定性事件，每級(jí)階梯貢獻(xiàn)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(shí)驗(yàn)證明，一至三級(jí)階梯APD的實(shí)測(cè)增益隨著臺(tái)階級(jí)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(cè)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(zhǎng)）。此外，階梯式APD的噪聲功率隨增益呈線性增長(zhǎng)，而非傳統(tǒng)探測(cè)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(shí)現(xiàn)了突破2微米紅外探測(cè)的低溫限制，AlInAsSb APD在200–220 K即可實(shí)現(xiàn)同等傳統(tǒng)HgCdTe探測(cè)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(cè)領(lǐng)域的核心器件
低壓低噪彈道雪崩APD
在光電探測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程中，二維材料基APD探測(cè)器的出現(xiàn)為該領(lǐng)域帶來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。這類探測(cè)器利用二維材料獨(dú)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(shí)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(jī)制，統(tǒng)的雪崩擊穿過程需要強(qiáng)電場(chǎng)激發(fā)，隨機(jī)散射嚴(yán)重，這種物理機(jī)制將量子彈道輸運(yùn)與雪崩擊穿過程結(jié)合，利用彈道輸運(yùn)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(shí)現(xiàn)載流子倍增放大的同時(shí)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(jī)制和彈道雪崩機(jī)制[4]
借助這一彈道雪崩機(jī)制，BP/InSe二維材料APD在中紅外波段(4微米)也能實(shí)現(xiàn)高達(dá)105的倍增增益，外量子效率可達(dá)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(gè)顯著優(yōu)勢(shì)在于其原子級(jí)厚度的特性。這種超薄結(jié)構(gòu)使得器件具有獨(dú)特的載流子輸運(yùn)特性，能夠顯著抑制暗電流。通過合理設(shè)計(jì)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(gè)數(shù)量級(jí)。此外，二維材料的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)造還為實(shí)現(xiàn)高性能探測(cè)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(bǔ)充，尤其是在需要室溫工作、小尺寸、高集成的應(yīng)用場(chǎng)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(jìn)步和新型二維材料的發(fā)現(xiàn)，這類探測(cè)器必將在光通信、激光雷達(dá)等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。
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