在近期發表於《Light: Science & Applications》的一篇論文中,波蘭Military University of Technology的Martyniuk教授領導的團隊以及中科院上海技術物理研究所的合作者,展示了基於紅外的APD目前狀態和未來發展。該論文涵蓋了HgCdTe和AIIIBV 體材料系統,包括著名的“第三波”材料超晶格。

此外,該論文還介紹了用於高性能紅外APD的新材料和結構,包括創新“第三波”二維材料,並提出實現高性能APD的策略。

雪崩倍增效應可用於檢測低功率光信號甚至單光子,因為其內在的擴增機制適用於各個主要波段:近紅外、短波紅外、中波紅外和長波紅外輻射。應用於遠距離軍事和太空的先進激光雷達和武器系統,必須在各種大氣條件下檢測、識別和跟蹤不同目標,這會導致光學系統中信號的明顯衰減。

因此需要額外的放大器和系統來正確檢測檢測器階段的信號。同時具有高頻寬、高增益、高增益頻寬乘積和低過剩噪聲的雪崩光電二極體非常適合檢測受抑制的光信號,例如用於自由空間光通信、夜視、光探測與測距、飛行時間、智能機器人,以及戰場條件下的軍事應用。

明顯的趨勢是轉向光子量信息應用,如量子密鑰分配。這些應用對檢測器性能有嚴格要求,有別於典型APD的性能。因此,改進增益頻寬乘積和降低過剩噪聲一直是APD發展的關鍵目標。

降低過剩噪聲的方法可分為三種策略。首先是選擇擁有有利雪崩倍增屬性的材料。其次是將雪崩層縮小到利用雪崩效應的非局域性從而大大降低過剩噪聲。最後是廣泛歸類為影響電離工程,利用合理設計的異質結。

二維層狀材料和范德瓦力斯(van der Waals)異質結構等“第三波”材料也可應用於雪崩倍增領域,包括單光子計數技術。過去十年關於二維光檢測器的研究文獻數量增長迅速,但這些材料因原子層厚度薄而吸收率低。利用雪崩倍增進行載流子倍增是製造高檢測效率二維光檢測器的有望方法。

與傳統體材料比較,二維材料擁有許多突出優勢,如機械柔韌性、強光物耦合、自終端化表面和可調閘電位,提供異質結構設計的靈活性。這些材料的雪崩係數與載流子傳輸方向有關。此外,在二維材料中不僅觀察到傳統的雪崩效應,也觀察到彈道雪崩機制。

因此,研究具有低關鍵電場的創新材料對於實現高效電子/光電器件具重要意義。傳統材料中的雪崩倍增受到高驅動電壓的限制,而基於二維材料的APD可迴避這一限制。