单光子雪崩二极管(SPAD)是一种固态光电探测器,与光电二极管和雪崩光电二极管(apd)属于同一家族,同时也从原理上与基本的二极管特性相联系。与光电二极管和apd一样,SPAD基于半导体p-n结,可以被电离辐射照亮,如γ、x射线、β和α粒子,以及从紫外(UV)到可见波长到红外(IR)的大量电磁波谱。
商用单光子雪崩二极管模块,用于光子探测
在反向偏置电压较低的光电二极管中,漏电流随光子的吸收线性变化,即由于内部光电效应,电流载流子(电子和/或空穴)的释放。然而,在SPAD中的反向偏置非常之高,以至于发生了一种称为冲击电离的现象,它能够导致雪崩电流的发生。简单地说,光产生的载流子在器件电场的作用下被加速获得动能,这种动能足以克服大块材料中产生的电离能,能将电子从原子中击出。电流载流子的大规模雪崩呈指数级增长,甚至可以由仅仅一个光子启动的载流子而触发。SPAD能够检测单个光子,提供可计数的短时间触发脉冲。然而,由于雪崩形成的高速和设备的低定时抖动,它们也可以用来获得入射光子的到达时间(ToF)。
SPAD与apd或光电二极管之间的根本区别在于,SPAD的偏压远远高于其反向偏压击穿电压,并且具有允许在无损坏或不适当噪声的情况下运行的结构。虽然APD能够充当线性放大器,但SPAD内部的冲击电离和雪崩水平促使研究人员将该设备比作盖革计数器,其中输出脉冲指示触发器或“点击”事件。导致这种“点击”类型行为的二极管偏压区域因此被称为“盖革模式”区域。
与光电二极管一样,它最敏感的波长区域是其材料特性的产物,特别是半导体内部的能带间隙。许多材料,包括硅、锗和其他III-V元素,已经被用于制造spad,用于各种各样的应用,现在使用的基本基于逃逸雪崩工艺。在这项工艺研究中,目前已有大量的研究已被提出,包括在CMOS制造技术中实现基于spad的系统,和III-V材料组合用于专用波长的单光子检测的研究和使用。