芯耀
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近年来也有很多新型SPAD/APD器件被提出，这一类器件大部分还在预研阶段，暂未走向商用。本节内容主要对当前学界前沿的SPAD研究进行一个综述。(篇幅和时间原因本次先总结部分，后续将持续更新)
Angle-Sensitive SPAD
Angle-Sensitive SPAD通过在每个SPAD上面做了一组微小的金属光栅实现对入射光线角度的选择性透过。也就是说根据光线的入射角度（光线从哪个方向斜着射进来），这些光栅会让光线通过或被阻挡。这相当于每个像素不仅能探测有没有光，还能“感觉”到光是从哪个方向来的。
图1 角度分辨SPAD器件结构示意图[1]
这一光栅设计主要借助的是Talbot效应实现的，当平行光穿过周期性光栅时，会在特定距离（Talbot距离）后重现光栅的像，衍射图案的偏移量由入射角。光子入射时，在顶层光栅处发生衍射，若衍射明条纹对齐底层缝隙则光子穿过，反之光子被阻挡，通过这一原理实现对特定入射角度的透过。具体的器件结构如下图所示：
图2 SPAD（Angle-sensitive SPAD）器件结构示意图[1]
通过构建对不同入射角响应的像素即可实现对角度具备分辨能力的传感阵列。比如在荧光成像中实现对荧光方向的解析。此外角度信息还可以实现光线追迹，从而获得光流信息。
基于超晶格台阶型能带结合的APD
传统APD的随机碰撞电离过程导致过量噪声，限制其在高灵敏度场景的应用。与此同时，光电倍增管（PMT）虽具备高增益与低噪声特性，但其体积庞大、需高压驱动且易受电磁干扰，难以满足现代集成化需求。针对这一矛盾，美国得克萨斯大学奥斯汀分校等团队提出一种革命性的多级阶梯式APD结构（multistep staircase APD），成功融合PMT的噪声优势与APD固态器件的集成潜力。
传统APD通过均匀高电场引发随机碰撞电离，而阶梯式APD的灵感源自PMT的多级倍增原理，其核心原理如图5.2. 25 staircase APD倍增原理[33]所示，在原本的APD结构中通过能带工程引入阶梯式“能带台阶”，从而实现与PMT类似的倍增机制。值得一提的是，由于价带没有不连续性，因此不会发生空穴引发的碰撞电离。局域的、单载流子引发的碰撞电离事件，使得其具有低噪声性能
图4 staircase APD倍增原理[2]
研究团队采用AlInAsSb（铝铟砷锑）四元化合物材料，通过分子束外延（MBE）技术构建基于超晶格的多级异质结阶梯结构，如下图staircase APD器件结构所示，阶梯区域由Al0.7In0.3As0.31Sb0.69和InAs0.91Sb0.09的渐变组成。
每级阶梯的导带设计为陡峭跃升，迫使电子在跨越异质界面时获得远超材料带隙的能量，从而触发局域化的确定性碰撞电离。这种设计将传统APD的连续随机增益过程离散化为多级确定性事件，每级阶梯贡献固定2倍增益（总增益为2^N，N为阶梯数），显著降低噪声。
图5 staircase APD器件结构[2]
图6 staircase APD性能分析
如图6所示实验证明，一至三级阶梯APD的实测增益随着台阶级数增加而按照2^N规律增加，为与蒙特卡洛模拟预测高度吻合。更关键的是，过量噪声因子（F(M)）不随着M增加而增加，始终低于1.1，接近理论极限（F(M)=1代表无噪声放大），显著优于传统APD和PMT（F(M)随增益增长）。此外，阶梯式APD的噪声功率随增益呈线性增长，而非传统探测器的平方依赖，这意味着其在更高增益下有比PMT和APD更好的信噪比。
基于这一原理，该APD可以实现了突破2微米红外探测的低温限制，AlInAsSb APD在200–220 K即可实现同等传统HgCdTe探测器需在125 K以下工作的性能[3]，AlInAsSb APD有望取代传统HgCdTe，成为中红外探测领域的核心器件
低压低噪弹道雪崩APD
在光电探测技术的发展历程中，二维材料基APD探测器的出现为该领域带来了新的机遇与挑战。这类探测器利用二维材料独特的物理特性和量子效应，在较短的传输距离内就能实现雪崩倍增。以黑磷/硒化铟(BP/InSe)异质结为例，2019年，南京大学电子学院王肖沐/施毅课题组与物理学院缪峰课题组在这一结构中首次发现其不同于传统材料的“弹道雪崩”机制，统的雪崩击穿过程需要强电场激发，随机散射严重，这种物理机制将量子弹道输运与雪崩击穿过程结合，利用弹道输运中电荷几乎无散射、保持相位相干的量子特性，结合纳米尺度下可控的雪崩效应，在实现载流子倍增放大的同时保持低功耗、低噪声，有望解决传统雪崩器件所遇到的瓶颈。
图7 传统雪崩倍增机制和弹道雪崩机制[4]
借助这一弹道雪崩机制，BP/InSe二维材料APD在中红外波段(4微米)也能实现高达105的倍增增益，外量子效率可达24.8%，并能在10-180K的温度范围内稳定工作[4]。
图8 常见的二维异质结APD器件结构[4-7]
二维材料APD的另一个显著优势在于其原子级厚度的特性。这种超薄结构使得器件具有独特的载流子输运特性，能够显著抑制暗电流。通过合理设计肖特基结和能带结构，研究人员成功地将这些器件的暗电流降低了数个数量级。此外，二维材料的范德华异质结构造还为实现高性能探测提供了新的途径，比如通过调控层数来构造本征结，优化载流子的雪崩倍增系数[5]。这些成果表明，二维材料APD有望成为传统体材料APD的有力补充，尤其是在需要室温工作、小尺寸、高集成的应用场景中。
不过，二维材料APD的发展仍面临一些挑战，如大面积制备工艺的开发、器件稳定性的提升等。但随着制备工艺的不断进步和新型二维材料的发现，这类探测器必将在光通信、激光雷达等领域发挥越来越重要的作用。
参考文献
Lee, C., et al.,?A 72 x 60 Angle-Sensitive SPAD Imaging Array for Lens-less FLIM.?Sensors (Basel), 2016.?16(9).
March, S.D., et al.,?Multistep staircase avalanche photodiodes with extremely low noise and deterministic amplification.?Nature Photonics, 2021.?15(6): p. 468-474.
Jones, A.H., et al.,?Low-noise high-temperature AlInAsSb/GaSb avalanche photodiodes for 2-μm applications.?Nature Photonics, 2020.?14(9): p. 559-563.
Gao, A., et al.,?Observation of ballistic avalanche phenomena in nanoscale vertical InSe/BP heterostructures.?Nature Nanotechnology, 2019.?14(3): p. 217-222.
Xia, H., et al.,?Pristine PN junction toward atomic layer devices.?Light: Science & Applications, 2022.?11(1): p. 170.
Zhang, Z., et al.,?Approaching the Intrinsic Threshold Breakdown Voltage and Ultrahigh Gain in a Graphite/InSe Schottky Photodetector.?Advanced Materials, 2022.?34(47).
Jia, J., et al.,?Avalanche Carrier Multiplication in Multilayer Black Phosphorus and Avalanche Photodetector.?Small, 2019.?15(38): p. e1805352.
