综述：锗硅单光子雪崩二极管（SPAD）研究进展
2026-09-19 10:26:39 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文回顾了基于锗硅单光子雪崩二极管（SPAD）的短波红外单光子探测技术的发展历程，并探讨了其新兴的应用领域。该综述重点梳理了Ge-on-Si技术取得的关键进展，涵盖材料制备和器件验证，并介绍了近期室温工作GeSi SPAD的最新研究进展。
锗（Ge）是半导体研发历史上研究最早的材料之一。然而，受限于锗表面难以钝化以及大直径锗晶圆难以生长等因素，最终采用硅（Si）的CMOS晶体管占据了主导地位并取得了商业成功。在Si衬底上生长的Ge薄膜历经约十年才成功应用于高速光纤通信的光电探测器，又过了约十年的进一步发展，其应用范围才逐渐拓展至光学传感与成像应用。
据麦姆斯咨询介绍，Artilux公司、赫瑞-瓦特大学和格拉斯哥大学等机构的联合研究团队回顾了基于锗硅（GeSi）单光子雪崩二极管（SPAD）的短波红外（SWIR）单光子探测技术的发展历程，并探讨了其新兴的应用领域。该综述重点梳理了Ge-on-Si技术取得的关键进展，涵盖材料制备和器件验证，并介绍了近期室温工作GeSi SPAD的最新研究进展，及其未来在通信、传感和成像之外的潜在应用。
图1 拉伸应变对Ge能带结构的影响
材料制备
全片/选择性外延
1999年，麻省理工学院展示了Ge-on-Si选择性外延生长，以及Ge生长后的循环退火工艺，该工艺可显著减少由Ge与Si之间晶格失配产生的穿透位错。在这项选择性生长实验中，由于籽晶窗口较大，范围在10～100 µm之间，Ge表面与Ge-Si界面之间会形成穿透位错，这与全片外延实验中常见的现象相似。此后，这种方法被广泛应用于制造高速同质结和异质结Ge-on-Si探测器。
图2 表征穿透位错密度的腐蚀坑密度（EPD）结果
缺陷颈缩外延
2000年，麻省理工学院通过利用高深宽比氧化物沟槽对穿透位错进行外延颈缩，制备出了无缺陷的顶部Ge表面。该方法可制备出高质量的Ge-on-Si材料，并且已应用于短波红外图像传感器的制备。
图3 缺陷颈缩外延原理示意图
液相外延
2014年，斯坦福大学展示了Ge-on-Si的液相外延（LPE）生长技术。该方法可制备高质量的Ge条带，并被用于制备全环绕栅极（GAA）Ge-on-insulator晶体管。
图4 液相外延生长技术示意图
器件验证
正入射型Ge光电探测器（PD）
2010年前后，关于Ge光电探测器的研究成果众多，但针对接收器和/或系统的研究却寥寥无几。2009年，英特尔首次展示了一种与跨阻放大器（TIA）引线键合的高速Ge光电探测器，并将其与同样采用引线键合方式连接至TIA的高速砷化镓（GaAs）光电探测器进行对比，重点比较两者的眼图和灵敏度。在该研究中，正入射Ge光电探测器由垂直n-i-p结构成，其中n型掺杂区位于光照入射侧。
图5（a）Ge光电探测器结构；（b）GaAs光电探测器（左）与Ge光电探测器（右）的眼图对比
正入射型GeSi雪崩光电二极管（APD）
2009年，英特尔首次展示了一款GeSi APD，其暗电流密度为0.09，增益带宽积（GBP）达340 GHz，这是1310 nm波长下已有报道的最高性能指标。这是首个报道的灵敏度性能可与商用Ⅲ-Ⅴ族器件媲美的GeSi APD。此后，分离吸收-电荷-倍增（SACM）结构逐渐成为GeSi SPAD研发的核心结构。
图6 GeSi APD结构及性能
正入射型GeSi SPAD
2011年，弗吉尼亚大学首次报道了基于Ge-on-Si的单光子探测器的演示实验。在200 K温度下采用门控模式猝灭技术进行测试，测得暗计数率（DCR）约为400 MHz，单光子探测效率（SPDE）为14%。尽管这是GeSi SPAD的首次演示，但较大的暗电流导致暗计数率过高，使门控模式猝灭受到饱和限制，因此，只有将系统冷却至200 K及以下，以缓解DCR饱和问题，才能准确测量SPDE。
2019年，赫瑞-瓦特大学首次提出并验证了一种性能更高的GeSi SPAD，该器件采用平面结构，其电荷层及电场均被限制在中心区域。在1310 nm波长下，其SPDE达38%，DCR为2 MHz。这项研究为兼容CMOS的GeSi SPAD在人眼安全短波红外波段的单光子三维传感与成像、激光医学剂量监测，以及通信波长下各类量子技术应用开辟了可能。
图7 高性能GeSi SPAD的结构及性能
2024年，Artilux公司首次报道了一款室温下工作的高性能GeSi SPAD，其噪声等效功率（NEP）较此前报道的GeSi SPAD提升了2～3.5个数量级。该器件采用掺杂设计，将低质量材料区域与电场隔离，从而将暗电流降至最低，进而实现DCR的最小化。这项研究为单光子敏感的短波红外传感器、成像器件和集成光路（PIC）在日常生活中的应用奠定了基础。
图8 室温工作高性能GeSi SPAD的结构及性能
光通信、传感与成像之外的应用
截至目前，GeSi PD/APD/SPAD的应用仍局限于光通信、传感和成像领域。室温工作GeSi SPAD的演示表明，有望实现室温光量子计算（PQC）这一新应用。
如今，绝大多数光量子计算都依赖于超导纳米线单光子探测器（SNSPD），这类探测器通常基于氮化铌（NbN）制成，需在低于4 K的温度下工作。然而，采用基于门控或基于光子数的光量子计算原理，在合理的时间门控窗口下，从光量子计算机的一系列性能指标来看，室温工作的波导型GeSi SPAD的性能可与低温下第一代NbN SNSPD相媲美。此外，通过部署由M个GeSi SPAD组成的空间多路复用M倍波导阵列，这些GeSi SPAD可构成光子数分辨雪崩二极管（PNRADs）。
这些研究成果有望为无需低温制冷的光量子计算机开辟新路径，大幅提升测试吞吐量并缩短设计迭代周期，而这正是光量子计算技术持续发展并实现全面应用的关键。
图9 集成硅光子（SiPh）室温光量子计算范式示意图
结论
过去二十年来，通过对Ge-on-Si技术的研发，Ge基光电探测器已广泛应用于光通信领域，并开始渗透到光学传感、成像与计算应用。该综述总结了Ge-on-Si技术发展的关键里程碑，涵盖从材料制备、器件验证到最终实现GeSi SPAD的室温工作。未来的发展方向可能包括利用锗锡-硅单光子雪崩二极管（GeSn-Si SPAD）将GeSi SPAD的探测波长拓展至1.6 µm以上，进一步实现室温高效工作。
论文链接：https://arxiv.org/pdf/2605.07343
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