低暗计数率APD单光子探测器研究综述
2026-09-19 11:00:17 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
通过比较不同材料体系，本综述强调了间接带隙宽禁带半导体在降低暗计数率（DCR）方面的优势及应用潜力，并为低噪声盖革模式APD（也称为单光子雪崩二极管）的设计与优化提供指导。
盖革模式雪崩光电二极管（APD）具有高增益、快速响应、小尺寸和低功耗等优点，被认为是传统光电倍增管（PMT）的潜在替代方案，并在弱光探测领域具有良好的应用前景。然而， APD的暗计数率（DCR）仍然较高，限制了实际应用。
据麦姆斯咨询报道，近日，西安交通大学在IEEE Transactions on Electron Devices期刊上发表了题为“Review of Low DCR APD Single-Photon Detectors”的综述文章，对比了基于Si、SiC、GaN和Ge/Si材料的APD的DCR特性，分析了影响DCR的主要物理机制，并讨论了相应的优化策略。对于宽禁带半导体，DCR主要受带间隧穿（BTBT）机制支配；对于具有较小禁带宽度的Si和Ge/Si，DCR则同时受到陷阱（trap）辅助热激发和陷阱辅助隧穿（TAT）的影响。通过比较不同材料体系，本综述强调了间接带隙宽禁带半导体在降低DCR方面的优势及应用潜力，并为低噪声盖革模式APD（也称为单光子雪崩二极管）的设计与优化提供指导。
雪崩光电二极管（APD）是一种基于内光电效应和雪崩倍增效应实现高增益光电转换的半导体器件。对APD的研究可以追溯至20世纪中叶，其概念最初由Nishizawa提出。典型的APD器件由吸收区、倍增区和电极组成，如图1a所示。在反向偏置条件下，光子吸收产生的电子-空穴对在高电场区域内受到加速，并通过碰撞电离发生雪崩倍增，使载流子数量呈指数增长。因此，APD的内部增益显著提高，从而能够工作在线性模式和盖革模式下，如图1b所示。尽管APD在集成和工作稳定性方面具有优势，但它们的DCR仍然高于PMT，这限制了它们在高性能检测中的应用。
图1 APD的雪崩机制和I–V特性示意图
不同APD的DCR
自APD问世以来，研究人员围绕其器件结构和材料体系开展了广泛研究，旨在降低暗电流、提高量子效率并提升增益。常见的APD包括Si APD、Ge/Si APD、SiC APD、GaN APD、InGaAs/InP APD、InGaAs/Si APD和AlGaN/GaN APD。
图2总结了基于Si、SiC、GaN、InGaAs/InP、InGaAs/Si、AlGaN/GaN和Ge/Si的APD器件在DCR及其他性能参数方面的最新实验结果。图2a展示了DCR与归一化过偏压之间的关系。对于APD器件，随着归一化过偏压的升高，DCR呈指数级增长。如图所示，其中一种Si APD（Ref. [15]）和一种SiC APD（Ref. [39]）明显偏离了整体趋势，其DCR显著低于同类器件。这种Si APD即使在较高的归一化过偏压下仍能保持较低的DCR。这归因于台积电（TSMC）的制造工艺，该工艺大幅降低了陷阱密度。此外，该器件采用了用于隔离的深p阱保护环和埋置n层，从而有效抑制了寄生耗尽和寄生雪崩，降低了有源区周围的电场。电场的降低有效抑制了BTBT机制，从而获得了更低的DCR。而SiC APD则采用了门控淬灭电路，它通过将高幅值交流（AC）脉冲与较低的直流偏置电压相结合来工作，以降低暗载流子触发雪崩事件的概率。此外，在输出端引入了阻抗匹配的同轴电缆，以消除由交流脉冲上升沿和下降沿引起的电容瞬态信号。随后利用光子计数器对输出信号进行鉴别与计数，由此实现了较低的DCR。
图2 Si、Ge/Si、GaN及SiC APD的DCR（a）随归一化过偏压的变化关系；（b）随暗电流的变化关系
图2b展示了暗电流与DCR之间的关系。当暗电流处于10⁻¹⁴~10⁻¹⁰ A的低电流范围内时，SiC APD的DCR保持较低水平；而GaN、Si和Ge/Si器件的暗电流均高于10⁻⁸ A，其DCR也相应较高。
基于上述关系，在雪崩触发概率和增益近似保持不变的理想条件下，DCR与暗电流呈正相关关系。图2b进一步给出了根据该模型绘制的Si和SiC器件的DCR-暗电流关系曲线，用于展示不同器件的DCR和暗电流在理论上的变化趋势。可以看到，SiC的趋势线位于较低暗电流区域，这与其宽禁带和较低的本征载流子浓度相一致。这表明，如果仅考虑本征暗电流，SiC APD具有实现超低DCR的潜力。
单光子APD器件的DCR模型
目前，Si APD的DCR形成机制已经得到系统研究。相比之下，对于宽禁带半导体SiC APD器件DCR理论模型的相关研究仍较为有限。为此，研究团队建立了基于多因子计算的SiC APD的DCR理论模型，并从物理机制角度对影响SiC APD DCR的主要产生机制进行了定性分析。在这些机制中，肖克利-里德-霍尔（SRH）产生-复合机制、TAT和BTBT被认为是DCR产生的主要贡献机制。
定性分析无法揭示在室温条件下、不同过偏压下，各种机制对总DCR的相对贡献。因此，有必要进一步开展定量分析，以明确这些机制对DCR的贡献及其随过偏压变化的规律。
选取一种典型的PIN型APD作为研究对象，其器件结构如图3所示。PIN器件中的电场分布如图3所示。由于漂移区的掺杂浓度较低，其内部电场呈渐变分布。在高掺杂的N⁺区，耗尽区仅向其中延伸很短的距离，电场强度也会迅速衰减至零。
图3 PIN APD器件结构与电场分布示意图
接着，研究人员对不同陷阱对TAT机制的贡献进行了数值计算。如图4a所示，在相同的器件结构和电场分布条件下，EH6/7陷阱所导致的TAT诱导DCR最高，而Z1/2、V、Ti和B陷阱的贡献则明显较小，这是由于这些陷阱的能级更接近能带边缘，或其俘获截面较小。
图4（a）不同陷阱对TAT机制的贡献；（b）SiC APD的DCR-归一化过偏压特性
如图4b所示，对EH6/7陷阱相关的TAT机制与BTBT机制进行了比较。在低过偏压条件下（归一化过偏压≤ 9%），由于倍增区内的电场强度受到限制，BTBT产生率较低，因此此时TAT机制在DCR中占主导地位。随着过偏压增加，倍增区内的电场强度迅速增强，使BTBT产生率呈指数增长，并很快超过TAT产生率，从而成为DCR的主要贡献机制。然而，由于EH6/7陷阱需要在高于600 K的温度下才能得到有效激活，因此其在室温下对DCR的贡献有限。此外，从图4b可以看出，在整个偏压范围内，SRH机制的贡献均可以忽略不计。因此，在室温条件下，SiC PIN APD器件的DCR主要由BTBT机制所决定。
根据DCR模型，材料的禁带宽度、体材料中点缺陷密度以及器件内部的电场强度是影响DCR的关键因素。较大的禁带宽度会导致热激发产生的本征载流子浓度降低，这有利于抑制SRH机制。然而，较宽的禁带宽度通常需要更高的工作电场才能实现有效增益，这反过来可能增强BTBT或TAT机制。
进一步对Si和GaN中DCR的来源进行了定量分析。该研究采用图1a所示的PIN器件结构，并以i层厚度作为统一采用的参考参数。如图5a所示，Si APD的DCR主要由SRH和TAT机制决定，而BTBT机制的贡献可以忽略不计。如图5b所示，在整个偏压范围内，GaN APD的DCR主要由BTBT机制决定，而SRH机制的贡献可以忽略不计。对GaN和SiC这两种宽禁带半导体进行比较（图4b和图5b）可以发现，在高电场条件下，GaN更容易发生强烈的BTBT，从而导致其计算得到的DCR显著高于SiC。
图5（a）Si PIN和（b）GaN PIN的DCR-归一化过偏压特性
在材料选择方面，直接带隙半导体在APD中实现低DCR方面面临更为显著的限制，而间接带隙半导体则在低DCR器件设计方面具有一定优势。
最后，针对上述物理机制，本综述从器件结构、材料外延与加工工艺、电路控制等多个层面总结了抑制DCR的具体方案。
结论
目前，室温APD的DCR仍比PMT高出几个数量级。本综述系统分析了APD的DCR特性及其影响因素，揭示了DCR与击穿前暗电流呈正相关关系。不同半导体材料APD中的DCR主导机制存在显著差异。
对于同质结APD，在基于窄禁带材料（例如Si）的APD中，DCR主要由TAT和热激发机制决定。在基于宽禁带材料（例如SiC和GaN）的APD中，DCR主要由BTBT和TAT机制决定。
对于异质结APD（例如Ge/Si、AlGaN/GaN、InGaAs/InP和InGaAs/Si APD），其通常具有高增益和高光子探测效率（PDE），但同时也面临晶格失配以及热膨胀系数差异较大等问题，从而导致较高的界面缺陷密度。在Ge/Si和InGaAs/Si APD中，吸收层和倍增层均采用窄禁带材料，因此DCR主要由TAT和热激发机制决定。在InGaAs/InP APD中，吸收层采用窄禁带材料InGaAs，而倍增层采用宽禁带材料InP。因此，其DCR一方面受到吸收层中TAT和热激发的影响，另一方面受到倍增层中BTBT的影响。AlGaN和GaN均属于具有自发极化效应的宽禁带材料，因此其DCR同时受到TAT和BTBT的影响。晶圆键合技术能够有效降低异质结器件中的界面缺陷，并有望进一步降低DCR。目前，针对InGaAs/Si和AlGaN/GaN APD的DCR研究仍较为有限。未来的研究可以重点关注界面缺陷控制以及器件结构优化。
论文信息：DOI: 10.1109/TED.2026.3686847
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