GaAs、InP基光子雪崩二极管（SPAD）外延片

一、SPAD（单光子雪崩二极管）是一种具有单光子探测能力的光电探测雪崩二极管。

光子雪崩二极管（SPAD）是一种可以单光子检测的光电器件，通常用于低光子数探测应用，如量子通信、单光子计数和成像等。GaAs（砷化镓）和InP（磷化铟）是两种常见的半导体材料，广泛用于制造SPAD器件的外延片。

GaAs基SPAD外延片

• 材料特性: 砷化镓具有高电子迁移率和较宽的带隙，使其非常适合制作高频器件和红外波段的探测器。

• 应用: 主要用于波长在800 nm附近的光探测，常用于近红外光谱范围的应用，如激光测距、光通信和生物成像。

InP基SPAD外延片

• 材料特性: 磷化铟的带隙较窄，但其合适的带隙和与其他材料（如InGaAs）的兼容性，使其在长波红外（1.3 μm到1.5 μm）范围的光探测中表现出色。

• 应用: 主要用于光纤通信、量子密钥分发和远距离光探测等领域，尤其是在波长超过1 μm的应用中表现突出。

外延片制造

外延片是通过外延生长技术（如分子束外延MBE或金属有机化学气相沉积MOCVD）在衬底材料上沉积薄膜形成的。外延片的质量直接影响到SPAD器件的性能，包括暗计数率（DCR）、探测效率（PDE）和时间分辨率等。

• GaAs外延片: 通常选择高纯度的GaAs衬底，通过MBE或MOCVD在其上生长多层结构，包括雪崩层和吸收层。

• InP外延片: 主要采用InP衬底，同样使用MBE或MOCVD技术来控制外延层的厚度和均匀性，以实现对特定波长的高效探测。

这两种基材的SPAD外延片因其不同的材料特性和应用领域，在光电探测领域中各自发挥着重要的作用。

二、SPAD具备高增益，是目前主流的APD的1万倍效率，高增益意味着高信噪比，信噪比是任何传感器最重要的指标，没有之一，提高信噪比的常用方法一是从发射端入手，如Luminar采用光纤激光，使用掺铒放大器（EDFA），发射功率是传统激光二极管的100倍，再有就是从接收端入手，提高接收端效率，就是用SPAD。

光子雪崩二极管（SPAD）具有高增益的特性，这也是其能够检测单个光子的关键原因。SPAD的高增益来自于其工作在“雪崩”模式下。以下是关于SPAD高增益的一些关键点：

1. 雪崩机制

SPAD工作在反向偏置电压接近或超过雪崩击穿电压的状态。当单个光子被吸收后，生成的光生电子或空穴被强电场加速，并通过撞击产生更多的电子-空穴对。这种连锁反应导致了电流的突然增大，形成“雪崩效应”。

2. 高增益特性

• 增益（Gain）: SPAD的增益通常在10^5到10^7之间，这意味着一个单一的光子事件可以引发多达上百万个电子的流动。这种高增益使得SPAD能够以非常高的灵敏度检测光子事件，即使是非常微弱的光信号。

• 过量电压（Over-voltage）: SPAD的增益与施加的过量电压（超过雪崩击穿电压的部分）密切相关。增加过量电压可以提高增益，但也会增加噪声（如暗计数率）。

3. 高增益的优势

• 单光子灵敏度: SPAD可以检测到单个光子，适用于需要极高探测灵敏度的应用，例如量子计算、量子通信、荧光寿命成像（FLIM）、以及LIDAR系统等。

• 时间分辨率: SPAD的高增益与快速响应时间结合，使其在时间分辨的应用中表现优异，能够精确测量光子到达的时间。

4. 高增益的挑战

• 噪声和暗计数率: 高增益的一个主要挑战是噪声，尤其是暗计数率（DCR），即在无光子输入时，器件仍可能由于热激发等因素发生雪崩事件。控制外延片的质量和优化器件结构可以降低暗计数率。

• 死区时间: 在雪崩事件发生后，SPAD需要时间恢复才能再次探测光子，这段时间称为死区时间。死区时间过长可能会限制SPAD在高光子通量下的性能。

SPAD的高增益特性使其在许多需要单光子检测的高端应用中不可或缺，但也要求设计者在器件制备和操作条件上进行优化，以平衡增益、噪声和探测效率等参数。

三、SPAD可以检测到非常低的信号强度（低至单光子水平），并且可以确定单光子到达皮秒级的程度。

SPAD（单光子雪崩二极管）能够检测低信号强度，并精确地确定单光子到达的时间，达到皮秒级的精度。这主要得益于以下几个关键技术和特性：

1. 雪崩倍增效应

• 雪崩效应: SPAD工作在高反向偏置电压下，当一个光子被吸收后，产生的光生载流子在强电场中迅速加速，并撞击其他原子产生更多的载流子，这个连锁反应形成雪崩效应。这个过程可以在极短的时间内完成，使得单个光子的到达能够触发一个明显的电流脉冲。

• 高增益: 雪崩倍增效应使得单个光子事件可以被放大到足以被外部电路检测的程度，这种高增益（通常在10^5到10^7之间）确保了即使在极低信号强度下，SPAD也能够可靠地检测光子事件。

2. 精确的时间分辨率

• 时间分辨能力: SPAD具有出色的时间分辨能力，可以达到皮秒级别（1皮秒=10^-12秒）。这种高时间分辨率得益于其快速的响应时间和快速的电信号转换能力。

• 时序分析: 在典型的应用中，SPAD与时间数字转换器（TDC）或时间到数字转换器结合使用，能够精确记录光子到达的时间。通过对多个光子事件进行时序分析，可以得到非常精确的时间信息。

3. 低噪声设计

• 低暗计数率（DCR）: 为了确保单光子检测的精度，SPAD设计时会尽量降低暗计数率，即在无光子到达时发生的假信号。这通常通过优化外延片材料、结构设计和冷却等方法来实现。低噪声确保了真正的光子事件能够被准确区分和检测。

4. 过量电压调节

• 过量电压: 通过调节施加在SPAD上的过量电压（超过雪崩击穿电压的部分），可以控制雪崩效应的强度和时间分辨率。适当的过量电压可以提高时间分辨率，但过高的过量电压可能会增加噪声。因此，过量电压的优化是实现高精度时间检测的关键。

5. 器件和系统优化

• 快速前端电路: 为了实现皮秒级的时间分辨，SPAD通常与高速前端放大器和高速数字化电路结合使用。这个前端电路的设计非常关键，直接影响到时间分辨率的性能。

• 温度控制: 温度会影响SPAD的性能，尤其是噪声水平和击穿电压。高精度的温度控制和补偿电路可以进一步提高时间分辨能力。

实际应用中的表现

SPAD在实际应用中已经展示了其精确的时间分辨能力。例如，在飞行时间测量（ToF）中，SPAD能够精确测量光脉冲的到达时间，确定物体的距离，精度可以达到皮秒级别。类似地，在量子通信和荧光寿命成像中，SPAD能够精确确定光子事件的时间，支持高精度的测量和分析。

因此，通过上述机制和技术，SPAD可以在极低的信号强度下，精确检测单个光子并确定其到达时间，达到皮秒级别的精度。这使其在许多高要求的应用中成为关键器件。

四、应用场景：

单光子雪崩二极管（SPAD）因其极高的灵敏度和单光子探测能力，被广泛应用于多个领域。以下是一些主要的应用场景：

1. 量子通信

• 量子密钥分发（QKD）: SPAD在量子通信中用于探测单个光子，这是量子密钥分发的核心技术。SPAD的高灵敏度和时间分辨能力使其能够可靠地检测量子信号，即使信号非常微弱。

2. 激光测距和LIDAR

• 飞行时间测量（ToF）: SPAD可以用于激光测距和LIDAR系统中，通过测量光子从发射到返回的时间来计算距离。SPAD的高时间分辨率和灵敏度使其特别适合短脉冲激光系统，如自动驾驶汽车和无人机中的LIDAR。

3. 生物医学成像

• 荧光寿命成像显微镜（FLIM）: SPAD在荧光寿命成像中用于检测和计时单个荧光子发射事件。这种技术可以提供关于生物样本的分子环境、相互作用和功能状态的详细信息。

• 光声成像: SPAD也被用于光声成像，这种成像技术结合了光学和超声波的优点，能够深层次地探测生物组织。

4. 天文学和遥感

• 单光子计数器: 在天文观测中，SPAD用于探测极其微弱的天体光源，如远距离的恒星或星系。其高灵敏度能够捕捉到稀少的光子信号，这在深空探测和夜间观测中尤为重要。

• 光谱探测: SPAD被用于大气遥感和空间探测任务中，用于精确探测来自地球或其他行星的微弱光信号。

5. 量子计算

• 光子探测器: 在量子计算中，尤其是基于光子的量子计算体系中，SPAD用于测量光子态。这对于量子态的读取和纠缠态的测量非常关键。

6. 安全与监控

• 生物特征识别: SPAD被用于高精度的生物特征识别系统中，如虹膜扫描和面部识别，通过高分辨率的光子探测增强系统的安全性和可靠性。

• 低光成像: 在低光环境下，如夜间监控，SPAD能够有效提升成像系统的性能，提供清晰的图像和视频。

7. 科学研究

• 光子相关光谱: SPAD用于量子光学实验中，进行光子相关光谱的测量，这对于研究光的量子特性和光与物质的相互作用非常重要。

• 单分子检测: 在化学和生物学研究中，SPAD被用来检测和分析单个分子的发光特性，提供关于分子行为的详细信息。

8. 消费电子

• 3D传感器: SPAD技术用于消费电子产品中的3D传感器，例如智能手机中的面部识别和手势控制系统。SPAD的高灵敏度使其在低光条件下依然能够精确探测深度信息。

SPAD在这些领域的应用展示了其作为单光子探测器的独特优势，尤其是在需要极高灵敏度和时间分辨率的应用场景中，SPAD能够发挥不可替代的作用。