综述：单光子雪崩二极管（SPAD）技术最新进展
2026-09-19 14:20:02 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文介绍了SPAD技术的最新进展，梳理了器件设计、制造工艺和参数优化方面的创新，揭示了它们对下一代量子光子系统的影响。展望未来，混合材料平台、片上光子电子协同集成及智能淬灭控制的融合，有望进一步提升SPAD器件性能，以满足甚至超越未来量子通信基础设施的严苛要求。
单光子雪崩二极管（SPAD）凭借其极高的时间分辨率探测单光子的能力，已成为光子学领域不可或缺的工具，而量子通信则是SPAD应用要求最为严苛的前沿领域之一。近年来，SPAD器件设计层面取得多项突破，包括优化的结区构型、先进的雪崩淬灭方案以及可扩展的阵列集成，重新定义了SPAD的性能极限。同时，制造精度的提升与CMOS兼容架构的发展不仅将光谱响应范围从可见光扩展至近红外波段，还实现了对暗计数率、后脉冲效应和时间抖动的系统性抑制。这些进展直接影响了量子密钥分发和时间相关单光子计数技术的可行性与稳健性，因为在这些应用中，探测效率与噪声抑制水平直接决定了系统的保真度。
据麦姆斯咨询报道，近期，研究人员在Photonics期刊上发表了题为“Recent Developments in Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) Technologies: From Device Engineering to Optimized Photonic Performance in Quantum Communication”的综述文章。文章介绍了SPAD技术的最新进展，梳理了器件设计、制造工艺和参数优化方面的创新，揭示了它们对下一代量子光子系统的影响。展望未来，混合材料平台、片上光子电子协同集成以及智能淬灭控制的融合，有望进一步提升SPAD器件性能，以满足甚至超越未来量子通信基础设施的严苛要求。
SPAD工作原理
雪崩二极管是一种p-n结二极管，专门设计用于在高反向偏压下工作。二极管的电学行为取决于施加的电压。在正向偏置下，正电压施加于p区，负电压施加于n区，降低内部电场，允许载流子穿过结，从而形成导通电流。在反向偏置下，正电压施加于n区，负电压施加于p区，增加内部电场，产生非常小的漏电流。然而，如果反向电压超过临界阈值，则会发生击穿，电流会显著增加。反向偏置下的两种主要击穿机制是隧穿效应和雪崩倍增。
（a）雪崩光电二极管中由碰撞电离触发的雪崩现象；（b）显示反向偏置雪崩倍增的能带图。
雪崩光电探测器的工作模式随反向偏压与击穿电压的关系而变化，产生两种可能的模式：线性模式和盖革模式。在线性模式下，雪崩光电二极管被偏置在低于其击穿阈值的恒定反向电压下。在盖革模式下，SPAD被偏置在其雪崩击穿电压之上，这使得单个光子能够在p-n结中触发自持雪崩。盖革模式是SPAD等器件实现单光子探测的关键工作原理。
（a）简单SPAD示意图；（b）电流-电压（I-V）特性。
SPAD器件设计与架构
半导体器件的设计和优化对于SPAD技术的发展至关重要。多年来，为满足量子通信、飞行时间（ToF）系统、单光子成像和激光雷达（LiDAR）等应用的多样化需求，已开发出多种SPAD架构。设计选择，包括使用单像素器件还是像素阵列、CMOS集成以及淬灭电路的实施，对这些领域中基于SPAD的系统的整体性能、功能和适用性具有重大影响。此外，SPAD类型的选择直接影响关键性能参数，例如光子探测效率（PDE）、暗计数率（DCR）和后脉冲效应。在量子密钥分发中，PDE和DCR是实现无放大单元的远距离传输的关键参数。提高SPAD器件的PDE通常会导致DCR升高，这体现了PDE与DCR之间固有的权衡关系，也是SPAD设计面临的主要挑战之一。通过优化倍增层和减小有源区，这些设计在接近室温的条件下实现了高PDE，同时抑制了DCR和后脉冲。这些进展表明，优化设计的SPAD几何和结构参数在优化量子密钥分发应用的灵敏度和噪声性能方面起着至关重要的作用。
带载流子抽取结构（CES）的平面型InGaAs/InP SPAD阵列
不同CMOS SPAD器件的横截面图
SPAD器件制造策略和材料平台
近年来，SPAD器件制造技术取得了显著进展，为提升单光子探测性能提供了多种方法。根据目标光谱响应范围、应用类型及材料限制，已提出并实施了多种制造工艺路线。
基于标准和先进CMOS技术的SPAD开发是主要研究课题之一。例如，采用28 nm全耗尽FD-SOI工艺，结合n型阱/p型衬底结构以及低电压、超深n型阱配置，可显著降低暗计数率，并提升光子探测效率。对结区布局与耗尽区的优化设计，还能有效控制死时间和后脉冲效应。
此外，为了将SPAD器件的光谱响应范围扩展到近红外区域，研究人员探索了更先进的技术，例如Ge-on-Si。
Ge-on-Si SPAD中单台面结构和双台面结构的比较
利用III-V族半导体（例如InGaAs/InAlAs）来制造在通信波段具有高灵敏度的SPAD已取得进一步成果。通过精确的外延生长和吸收区工程设计，并引入内置电场，显著提升了响应速度和探测灵敏度。尽管这些SPAD器件需要冷却和较高的偏置电压，但在激光雷达和长波长光通信系统中仍表现出优异的性能。
基于InGaAs-GaAs纳米线的单光子探测器结构和显微结构，设计用于自由运行模式和抑制后脉冲效应。
对于硅基SPAD器件，已经提出了多种方法来提高长波长处的光吸收。一种有效的策略是设计低掺杂外延吸收层、扩展漂移区并优化结几何形状。这种设计增强了800-900 nm范围内的响应度，同时改善了电场均匀性并降低了噪声。
对于超导单光子探测器，例如超导纳米线单光子探测器（SNSPD），采用包括Peano分形图案、布拉格反射镜和多角度光学陷阱的新型设计，提高了吸收、消除了偏振敏感性并提高了均匀性。这些架构对于需要极高灵敏度和低错误率的量子应用尤为有利。
确保性能一致和控制结构缺陷在SPAD可扩展性中起着至关重要的作用。掺杂层的优化、载流子陷阱的减少以及精确的光刻掩模的使用已被证明可以最大限度地减少暗计数并提高像素间均匀性。这种改进在大规模（百万像素）SPAD阵列的先进CMOS设计中尤为关键。
材料的选择从根本上决定了单光子探测器的工作极限、探测效率和长期可扩展性。虽然制造策略决定了这些器件的设计精度，但所用材料的固有特性，例如带隙、晶格质量、缺陷密度和载流子电离行为，最终决定了性能边界。在过去的二十年里，SPAD和SNSPD的材料开发沿着两条截然不同但互补的路径发展：用于基于雪崩的光子倍增的半导体材料和用于低温单光子传感的超导薄膜。在半导体领域，由于其CMOS兼容性和出色的晶体质量，硅仍是可见光探测器的主要平台，而III-V族化合物和Ge-on-Si异质结构已将探测范围扩展到近红外波段。同时，NbN、NbTiN和非晶WSi等超导材料实现了在通信波长下接近100%效率的单光子探测。
硅基APD CMOS兼容制造工艺
SPAD器件性能优化
SPAD器件性能优化需要在DCR、PDE、时间抖动、后脉冲概率和工作速度等关键性能参数之间实现微妙平衡。与传统的光电二极管不同，SPAD在盖革模式下工作，其中随机雪崩触发放大了目标信号事件和寄生事件。因此，灵敏度或探测效率的每一次提高都必须伴随着抑制不必要的噪声和定时波动的策略。研究人员重点介绍了SPAD器件中的主要性能限制因素以及为克服这些因素而开发的工程方法，包括通过缺陷和界面控制以降低DCR，以及通过光子学和电子学优化以提高可见光和近红外波段的PDE。此外，在不同材料系统和架构的背景下，分析了功能参数之间的固有权衡，特别是效率和DCR之间的权衡，全面展示如何从单个器件到阵列级别系统地调整SPAD器件的性能。
量子通信中的SPAD器件
量子通信系统中所采用的协议均为量子密钥分发（QKD）技术，例如BB84、B92、E91、DPS、六态等，这些协议高度依赖于单光子探测器的精确性能。诸如时间抖动、后脉冲和死时间等参数，直接影响QKD中的安全密钥率和时间精度。经典通信与量子通信的根本区别在于探测方法：经典系统使用能量积分探测器（EID），测量总光子能量；而量子系统则采用光子计数探测器（PCD），例如SPAD和SNSPD，将单个光子记录为离散事件。这种基于盖革模式工作原理的探测方法显著提升了信噪比。研究人员展示了材料选择、结区工程以及淬灭电路如何协同满足QKD的需求，使SPAD从实验室组件转变为量子通信基础设施的关键组成部分。
在202 km单模光纤距离下，使用SNSPD进行多次密钥交换、持续80分钟过程中的量子比特误码率（QBER）、Φ（相位误码率）和安全密钥率（SKR）。
SPAD器件新兴趋势和未来方向
尽管SPAD在设计、制造和优化方面取得了显著进展，但其性能边界仍在不断扩展。本综述指出，降低噪声、提高量子效率、改善阵列均匀性以及与读出集成电路高效集成等仍是当前研发的主要挑战。与此同时，先进的光子系统（包括量子通信、时序成像和光学传感）对单光子探测的需求日益增长，推动了SPAD领域研究的发展方向朝着新技术的集成和混合平台的应用迈进。在此背景下，新兴技术主要聚焦于以下几个关键方向：采用混合材料衬底，包括硅、III-V族材料或二维材料（例如石墨烯和MoS₂），以提升光电性能；光子和电子器件在芯片上的集成，以实现集成化、高速的单光子探测器；以及基于数据驱动优化和机器学习算法对淬灭过程进行智能控制。
此外，使SPAD架构和性能适应量子通信系统的要求，包括高探测率、精确定时和高量子保真度，将决定未来的发展方向。这些趋势勾勒出未来几代SPAD器件设计的演进方向，并确立了该技术作为未来光子和量子基础设施关键组成部分的作用。在此背景下，SNSPD因其极高的探测效率、极低的暗计数率、低时间抖动以及在1550 nm电信波长下的探测能力，已成为长距离和高速量子密钥分发的最佳选择之一。SNSPD的使用可以延长传输距离，降低QBER，提高系统安全性。另一方面，CMOS SPAD技术在量子密钥分发系统的集成、成本控制、可扩展性以及读出与信号处理电路实现方面发挥关键作用。CMOS SPAD阵列还可以实现紧凑、低功耗、且与光子学系统兼容的单光子探测器，这对于量子网络和便携式量子密钥分发系统具有重要意义。
最后但同样重要的是，值得简要提及光子数分辨（PNR）SNSPD技术，这项技术能够精确测量入射光子的数量，从而提高先进量子密钥分发协议的准确性和安全性。然而，传统的CMOS SPAD阵列在电信网络中更具可扩展性，因为它们的成本更低，更容易集成，并且与现有的光子电路具有更高的兼容性。相比之下，许多PNR SNSPD需要复杂的制冷系统和较高的实施成本，这限制了它们的广泛使用。因此，尽管PNR SNSPD性能更优，但就量子通信网络中的大规模部署而言，SPAD阵列目前被视为更具实用性的选择。
论文链接：https://doi.org/10.3390/photonics13070650
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