利用超构表面增强单光子雪崩二极管（SPAD）性能
2026-09-27 15:16:10 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员提出将光学超构表面集成到单光子雪崩二极管（SPAD）有源区域以提高探测器的性能。研究人员指出，构成超构表面的亚波长纳米结构之间的集体相互作用将通过增强吸收来提高单光子探测器的PDE。
针对诸多应用，在950nm至1800nm范围内的第二近红外（NIR-II）波段进行探测尤受关注；这是因为该波段在量子网络应用（对应1310nm和1550nm波长）中具有较低的光纤传输损耗，而在医学成像应用（对应1300nm和1700nm波长）中则具备更深的生物组织穿透深度。虽然每种单光子探测器都有其固有的优缺点，但目前尚无商用探测器在兼具高光子探测效率（PDE）、低暗计数率（DCR）和低时间抖动的同时，又具备满足更广泛的应用需求的便携性和紧凑性。
图1 单光子探测器论文发表情况及重要性能指标
据麦姆斯咨询报道，近日，加拿大滑铁卢大学与Single Quantum Systems公司的研究团队在APL Engineering Physics期刊上发表了以“Enhancing the performance of single-photon avalanche diodes using semiconductor metasurfaces”为题的综述文章。文章重点探讨面向近红外波段的单光子雪崩二极管（SPAD）设计，并分析这些选择如何影响光子探测效率（PDE），暗计数率（DCR）和时间抖动之间的权衡关系。同时，梳理材料层堆叠、温度和工作偏压等因素的影响；并提出将光学超构表面（Metasurfaces）集成到SPAD有源区域以提高探测器的性能。研究团队指出，构成超构表面的亚波长纳米结构之间的集体相互作用将通过增强吸收来提高单光子探测器的PDE。与基于InGaAs/InAlAs材料系统的平面台面型SPAD相比，基于超构表面的SPAD在PDE方面提高了2.5倍。此外，研究团队认为器件体积的减小将带来DCR和时间抖动的降低。集成超构表面所带来的这些性能优势综合效应，将推动新一代SPAD技术发展。
器件结构与工作原理
SPAD是一种在盖革模式下工作的p-i-n结。电流-电压（I-V）特性对于理解为何能够实现单光子探测至关重要，并且可以通过三种不同的状态（雪崩、淬灭和复位）来总结，如图2a所示。
图2 近红外SPAD的工作原理与器件结构
根据工作原理，SPAD具有两大功能：吸收光和倍增电荷。噪声与漏电主要来自强电场下的陷阱辅助隧穿（TAT）与带间隧穿（BBT），为了解决这一材料限制，现代的近红外SPAD器件采用独立吸收层、电荷层、倍增分离层（SACM）结构（如图2b）。通常在吸收区和倍增区之间添加薄电荷层，作为电场的屏蔽层。首选对近红外透明的宽带隙材料（例如InP、Si、In0.52Al0.48As）。通常会采用分子束外延（MBE）和金属有机化学气相沉积（MOCVD）等高质量制备工艺。
性能权衡优化
SPAD关键性能指标分为PDE、DCR与时间抖动三类。为了说明这些性能权衡关系，研究团队选取39款近红外SPAD，并根据DCR≤20 kHz或时间抖动≤500 ps的标准对器件进行筛选。结果发现，符合DCR标准的16款、符合时间抖动标准的9款、两者兼备的仅有8款。比较发现，更高PDE通常以更大DCR为代价（如图3a），而PDE与时间抖动可同步改善（如图3c）；为了达到理想性能，需要进行范式转换，例如使用超构材料来提高吸收效率，以及使用纳米图案化来改善DCR和时间抖动。
图3 现有的近红外SPAD性能权衡
PDE与DCR的权衡
在SPAD器件上施加过偏压是该权衡的主要因素。较高偏压使器件两端电场增强，从而增加碰撞电离率并积累雪崩电荷。雪崩触发概率（ηava）也会随之增大，导致PDE明显改善；但强电场引起的能带弯曲也会加剧隧穿DCR（如图3）。降低工作温度可抑制升高的DCR。设计具有较厚吸收区域的层堆叠可以在器件中产生更大的耗尽层宽度，从而提高吸收效率。缺陷态的总数随材料厚度的增加而增加。因此，对有源区域进行图案化，从而减少其尺寸及相关缺陷数量。
DCR与时间抖动的权衡
如图3b所示，DCR和时间抖动之间无明显关联。改善时间抖动最常见方法是在器件上施加较高的过偏压，从而提高雪崩建立时间的一致性。降低温度虽然可作为控制InGaAs/InP SPAD的DCR的手段，但以牺牲时间抖动为代价。
PDE与时间抖动的权衡
如图3所示，PDE与时间抖动可同步改善。但平面器件受吸收效率限制难以达到理想性能（图3c）。在器件上施加更高偏压既可以改善时间抖动，也能提升载流子注入倍增区的效率与速度，从而增加雪崩触发概率。改进层堆叠设计，是同时改善PDE和时间抖动的另一极具前景的研究方向。
未来方向：超构表面SPAD
在探索提高SPAD性能的替代方案时，研究团队提出将光学超构表面加入到优化上述权衡的设计中，从而增加了新的自由度。更具体地说，将超构表面集成到SPAD的有源区域，以增强PDE，并改善DCR和时间抖动。具体方案为：采用自上而下刻蚀方法在SACM SPAD结构层中堆叠形成纳米线超构原子（meta-atom），其中SPAD的p-n结被封装于超构原子内。
图4 超构表面与SPAD的集成
展望：将超构表面集成到SPAD设计中
通过在SACM晶圆上对SPAD器件的有源区域进行图案化，这一利用超构表面来提升SPAD性能指标的设想得以实现。所需超构表面图案可采用传统的自上而下减材纳米制造工艺实现（超构原子形状由刻蚀掩模决定）。也可采用自下而上增材制造工艺来实现超构原子。尽管超构表面具有诸多优势，但在将其与SPAD集成之前，仍有许多挑战亟待解决。
论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0314269
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