由于雪崩倍增效應在近紅外（NIR）、短波紅外（SWIR）、中波紅外（MWIR）和長波紅外（LWIR）波段范圍內具有放大機制，因此可用于探測低功率光信號甚至于單個光子。用于遠程軍事及空間應用等領域的先進激光雷達（LiDAR）和武器系統必須能夠在多種大氣條件下（包括CO、CO2和H2O蒸汽等氣體的吸收）探測、識別并跟蹤各類目標，其中各類氣體的吸收會導致光學系統中信號的顯著衰減。

據麥姆斯咨詢報道，由來自波蘭華沙董布羅夫斯基軍隊技術學院應用物理研究所（Institute of Applied Physics, Military University of Technology, Poland）和中國科學院上海技術物理研究所紅外物理國家重點實驗室的Piotr Martyniuk教授領導的科研團隊在Light: Science & Applications期刊上發表了以“Infrared avalanche photodiodes from bulk to 2D materials”為主題的論文。該論文的第一作者和通訊作者為Piotr Martyniuk。這篇論文綜述了紅外雪崩光電二極管（APD）的發展現狀和未來趨勢；涵蓋了塊體材料碲鎘汞（HgCdTe）和Ⅲ-Ⅴ族材料體系，包括眾所周知的“第三波（third wave）”系列材料之一：超晶格（SL）。

圖1 從塊體材料到低維材料的雪崩光子傳感技術的方法、技術及應用路線

這種被抑制的輸出信號需要一個額外的放大器，以及在檢波器級正確探測信號的系統。基于APD的器件表現出高寬帶（BW）與高增益（M）——高增益帶寬積（GBW）以及低過量噪聲[F(M)]等特性，非常適合遠程應用中被抑制的光信號的探測，例如自由空間光通信（FSO）、夜視、光探測和測距（LiDAR）、飛行時間（ToF）、智能機器人以及軍事應用（最終戰場條件）等。

形成這種趨勢的主要原因無疑是轉向光學量子信息應用（如量子密鑰分發，QKD）的發展所致。這些應用對探測器的性能提出了嚴格的要求，同時這些要求與公認的典型APD性能不同。因此，提高GBW并抑制F(M)一直是APD進步的關鍵目標。

圖2 APD的工作原理

抑制F(M)的方法可分為三種策略：（1）選擇一種具有助益倍增特性的材料（包括“第三波（third wave）”材料及其技術）。（2）大幅抑制F(M)可以通過縮放雪崩層來利用倍增效應的非局部作用達到。（3）利用巧妙設計的異質結構的沖擊電離工程（I2E）來實現。

圖3 APD器件設計的發展演變

材料的選擇對于APD的性能至關重要。常見的材料包括InGaAs、Ge、HgCdTe以及超晶格等，它們在不同波長范圍內具有不同的靈敏度和性能。

圖4 銦鎵砷（InGaAs）/磷化銦（InP）SAM-APD

圖5 低噪聲光電倍增管（PMT）與多量子阱APD的器件結構比較

二維（2D）層狀材料及其范德華（vdW）異質結構也屬于“第三波（third wave）”系列材料，可用于包括單光子計數技術的雪崩倍增領域。在過去十年中，關于二維光電探測器的研究數量有著驚人的增長，然而，這些材料因薄原子性質而表現出低吸收。沖擊電離導致載流子倍增是一種制備高探測效率二維光電探測器的有效方法。

圖6 低維固體雪崩光電探測器

與標準塊體材料相比，二維材料表現出如機械柔性、強光-物質耦合、自鈍化表面以及柵極可調諧費米能級等諸多特殊能力。這些材料的特點在于不同的沖擊電離系數隨載流子輸運方向而變化。此外，在二維材料中不僅存在傳統的沖擊電離效應，還存在彈道雪崩機制。

因此，研究具有雪崩倍增的低臨界電場特征的創新材料對于實現高能效光電器件具有重要意義。傳統材料中的雪崩倍增機制受到高驅動電壓的限制，而基于二維材料的APD可以規避高驅動電壓的制約。

此外，這項研究還介紹了高性能紅外APD的新材料和新架構的最新進展，包括創新型“第三波（third wave）”二維材料以及實現高性能APD的策略。

審核編輯：湯梓紅