面向短波红外探测的GeSi SPAD综述
2026-10-11 16:57:24 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
该文章全面梳理了GeSi SPAD的基本原理、器件结构、性能优化策略以及未来发展方向。文章重点分析了多种常见的GeSi SPAD结构，并结合计算机辅助设计（TCAD）仿真结果、构建的物理模型以及现有研究成果，探讨了不同结构的特点及其进展。
短波红外（SWIR）探测在精密测距、激光雷达（LiDAR）与自由空间光通信等应用中的需求持续增长，这些应用得益于短波红外的独特优势，包括较高的大气透射率、适用于人眼安全以及针对特定材料的相互作用特性。与需要千伏级偏压的光电倍增管（PMT）和依赖低温制冷的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）不同，单光子雪崩二极管（SPAD）通常只需中等偏压即可工作，同时兼具单光子灵敏度、紧凑器件尺寸以及与标准CMOS制造工艺的兼容性。然而，传统材料存在固有限制（如图1）：硅（Si）在室温下带隙1.12 eV，主要响应可见光，因此在短波红外探测中的应用受到限制；InGaAs等III-V族化合物半导体虽能将探测范围扩展至红外波段，但由于存在晶格失配与热膨胀系数不匹配等问题，与Si平台集成时面临着较大挑战。锗（Ge）在1310 nm处吸收系数高达10000 cm⁻¹，在1550 nm处吸收系数为5000 cm⁻¹，同时与Si工艺具有良好的兼容性，为短波红外单光子探测应用开辟了新途径。
图1 各种半导体材料的吸收波段
据麦姆斯咨询报道，中国科学院西安光学精密机械研究所的研究团队在IEEE Sensors Journal期刊上发表了题为“Germanium/Silicon Single-Photon Avalanche Diodes for SWIR Applications: A Review”的综述文章。该文章全面梳理了Ge/Si SPAD的基本原理、器件结构、性能优化策略以及未来发展方向。文章重点分析了多种常见的Ge/Si SPAD结构，并结合计算机辅助设计（TCAD）仿真结果、构建的物理模型以及现有研究成果，探讨了不同结构的特点及其进展。最后，文章提出提升Ge/Si SPAD性能的先进策略，包括先进结构设计、高集成度方案、SPAD阵列以及室温工作性能的提升。
Ge/Si SPAD基本原理
Ge/Si SPAD的关键工作区域是吸收区与倍增区（如图2），分别发挥了Ge的光吸收特性与Si的碰撞电离特性。Ge/Si SPAD通常采用分离吸收、电荷和倍增（SACM）结构。当入射光子被Ge吸收区吸收后，会产生电子-空穴对。在电场作用下，光生载流子漂移至Si倍增区并被加速，获得足够能量后引发碰撞电离，进而触发雪崩效应。这一倍增过程将单个光生载流子放大为可探测的电流脉冲信号，从而实现单光子事件的探测。
图2 Ge/Si SPAD的结构与雪崩击穿机制示意图
Ge/Si SPAD的性能通常由四项关键指标评估：（1）单光子探测效率（SPDE）表示探测到入射光子的概率；（2）暗计数率（DCR）表示无光照条件下器件产生输出信号的速率；（3）后脉冲概率（APP）指每次测量后，在下一探测周期产生错误信号的可能性；（4）时间抖动则表示入射光子到达时间与对应输出信号产生之间的时间间隔的波动。
Ge/Si SPAD的器件结构
根据具体的应用需求和技术限制，Ge/Si SPAD主要有三种实现结构（如图3）：台面型（Mesa Type）、平面型（Planar Type）与横向型（Lateral Type）。台面型和平面型结构可统称为垂直型结构，其核心工艺涉及本征Si和本征Ge的外延生长。从工艺角度来看，横向结构无需进行本征Si外延生长，而是通过多步离子注入掺杂工艺构建Si雪崩倍增区。
图3 台面型、平面型与横向型Ge/Si SPAD结构示意图
台面型Ge/Si SPAD
单台面结构设计的优势在于其设计相对简单，侧重于通过调节整体像素尺寸以及各层的厚度和比例来优化器件性质。然而，由于该结构未对器件有源区形成有效限制，Ge/Si界面与侧壁缺陷可能导致较高的DCR。随着制备工艺的不断进步，Ge/Si SPAD的台面结构也发生了演变：从单台面向多台面、从无掩膜离子注入向有掩膜离子注入、从无保护结构向采用保护环等保护性设计的演进。
平面型Ge/Si SPAD
与台面结构不同，平面型Ge/Si SPAD通过有掩膜离子注入而非刻蚀来定义有源区。这种方法不仅更容易控制器件内部强电场分布，还能避免刻蚀引入的侧壁缺陷，从而降低DCR。因此，平面型Ge/Si SPAD通常具有较低的DCR和较高的探测效率。
横向型与三端结构的Ge/Si SPAD
为简化制造工艺，研究人员提出了横向型Ge/Si SPAD。如图3所示，横向结构与垂直结构的主要区别在于p-i-p-i-n层的排布：在垂直结构中，p-i-p-i-n层呈纵向排列；而在横向结构中，吸收区（p-i-p）呈纵向排列、倍增区（p-i-n）呈横向排列。三端结构的优势在于可独立控制p⁺⁺ Si/n⁺⁺ Si结与p⁺⁺ Ge/n⁺⁺ Si结两端的压降，从而精确调控吸收区与倍增区的电场。
图4 两种横向型Ge/Si SPAD结构
Ge/Si SPAD的技术进展与展望
Ge/Si SPAD相关结构包括带反射层的SPAD、采用谐振腔增强（RCE）的SPAD、具有光捕获结构的SPAD以及背照式（BSI）SPAD。这些结构的共同优势在于，在无需改变器件基本架构的前提下即可提升其探测性能，从而将DCR降至最低。
凭借与CMOS工艺兼容性以及Si衬底的透明性，Ge/Si SPAD正在从前照式（FSI）架构向BSI架构发展，并进一步迈向3D堆叠集成。为了实现更高分辨率的光子探测并满足日益扩大的应用需求，SPAD技术正从传统的单点探测向阵列式探测演进。目前，针对Ge/Si SPAD阵列的研究相对有限，但由于其与CMOS工艺的高度兼容性，Ge/Si SPAD在低成本、高集成度的大面积红外光子探测领域展现出巨大的发展潜力。
总结
这篇综述全面介绍了Ge/Si SPAD的基本原理，探讨了各项性能指标背后的作用机制，并讨论了相应的优化方法。同时，文章还详细梳理了多种主要Ge/Si SPAD器件结构及其演变历程。然而，Ge/Si SPAD的发展仍面临着诸多挑战。未来Ge/Si SPAD的研究将主要聚焦于三个方向：（1）开发先进的器件结构，以优化探测效率；（2）在保持CMOS制造工艺兼容性的前提下提升集成度，以支持规模化制造；（3）通过器件结构设计与制造工艺的协同优化，提升器件的室温工作性能。
论文链接：https://doi.org/10.1109/JSEN.2025.3568148
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