雪崩光电二极管（APD）专利发展综述
2019-04-09 08:35:01 来源：微迷 评论：0 点击：
麦姆斯咨询：APD是一种利用内光电效应和雪崩倍增效应实现光信号的探测和信号放大的器件，它的核心结构是PN结。从全球来看日本在该领域的专利最多，其次是美国，体现了这两个国家技术实力的雄厚；中国进入该领域的时间比较晚，当全球专利处于成熟期时中国才开始萌芽。
国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心 廉海峰
APD是一种利用内光电效应和雪崩倍增效应实现光信号的探测和信号放大的器件，它的核心结构是PN结。其工作的基本原理：在设定的工作偏压下，APD倍增区存在很强的电场，当光子在APD吸收区被吸收后产生光生电子-空穴对，并在强电场的作用下与势垒区的晶格原子发生碰撞离化，产生新的电子-空穴对，新产生的电子-空穴对继续发生碰撞电离，在一系列的碰撞离化后，形成雪崩倍增，达到对光信号的探测和放大的效果。
1. 国外专利分析
国外专利申请量和时间的关系大致可以分为四个时期：
（1）萌芽期（1975年之前）：1957年德国西门子公司申请的一项专利中首次出现了典型的雪崩模式的I-V曲线，标志着雪崩增益器件的出现；1967年美国的贝尔实验室申请了第一个APD器件的专利；在这之后，其它国家也出现了一些申请，但是数量都有限，该时期处于APD的萌芽期。
（2）快速增长期（1976~1989年）：随着对硅、锗、GaAs材料生长工艺的完善以及对于微弱光探测的需求的增长，APD器件的专利申请进入到了快速发展期，尤其是日本的申请量急剧增加。
（3）低谷期（1990~1999年）：在基于硅、锗、GaAs材料的APD器件的研究日趋完善以及新材料发展缓慢的情况下，专利申请的数量不可避免的陷入的低谷。
（4）成熟期（2000年至今）：随着材料生长工艺的进步，尤其是通过MOCVD外延技术的成熟，GaN、SiC等第三代半导体的生长工艺已经能够生长符合器件制备的材料，在此基础上APD器件的专利申请再次步入增长并到达成熟期，在此期间的专利申请趋于平稳。
德国First Sensor针对激光雷达应用推出的硅APD
日本滨松推出的APD/SPAD系列产品
2. 中国专利申请状况
国内的发展非常滞后，当国外已经进入到成熟期时国内才开始出现萌芽，直到2004年才由中国科学院半导体研究所申请了中国的第一个APD器件的专利。中国的专利申请中国外的申请人占了多数，排名前10中有6个国外申请人，这与我国进入该领域时间较晚的现实相符合，排名前10中的国内申请人其中4个是高校或研究所。另外对国内申请人已经结案的申请的统计分析发现，国内公司的授权比例只有50%，而国内高校研究所的授权比例达到80%。
3. 雪崩光电二极管（APD）专利技术发展路线
雪崩光电二极管（APD）的发展主要围绕材料与结构，1957年德国西门子公司申请的一项专利中首次出现了典型的雪崩模式的I-V曲线，这标志着雪崩击穿模式的出现。
1967年美国的贝尔实验室申请了第一个APD器件的专利，制备该APD器件的材料是硅，其结构是最简单的一个PN结。同年，贝尔实验室又申请了第一个台面结构的APD器件的专利，制备该器件的材料为砷化铟。1968年美国德州仪器公司申请了第一个平面结构的APD器件的专利，制备该器件的材料可以是硅、锗或砷化镓。
1971年德国TELEFUNKEN PATENT申请了第一个SAM型APD器件的专利。这种结构的APD具备吸收区与雪崩区分离的特点，它可以实现单种载流子（电子或空穴）触发雪崩，使载流子倍增时引入的碰撞电离随机性减少，从而雪崩过噪声也减小。进入80年代后基于InGaAS/InP异质结的APD器件蓬勃发展，其中日本公司是绝对主力。
随着材料生长工艺的进步基于三族氮化物等半导体的紫外波段的APD器件陆续出现，例如1997年申请的基于InyAlxGa1-x-yN材料的APD器件；1999年申请的基于AlGaN的日盲型紫外APD；2002年申请的基于SiC材料的APD器件。
4. 结束语
通过上述分析可以看出，从全球来看日本在该领域的专利最多，其次是美国，体现了这两个国家技术实力的雄厚；中国进入该领域的时间比较晚，当全球专利处于成熟期时中国才开始萌芽，并且中国的申请人主要是高校研究所，国内公司不仅申请量少，授权比率也要大大低于高校研究所，这表明了我国在APD领域的研究还主要停留在理论实验阶段，国内还鲜有公司能够生产APD器件。APD器件在通讯、医疗、特别是军事领域有着重要的作用，因此我国的APD研究还任重道远。
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