雪崩光电二极管是一种常见的半导体光电探测器，通常在较高的反向偏压下工作，利用光电效应产生光生载流子，载流子在高电场条件下加速、碰撞、电离产生更多载流子，进而将光生电流放大，从而实现对光信号的探测。相比于传统的PN结光电二极管，雪崩光电二极管通常采用PIN结构，器件具有雪崩放大增益，故有更高的灵敏度，可以对微弱光信号进行探测。雪崩光电二极管的应用领域非常广泛，传统的应用包括远距离光纤通信、三维激光雷达、激光测距等；也广泛用于一些新兴的领域，如量子通信、时间分辨光谱检测、医学影像等。

雪崩光电二极管最早出现于20世纪60年代，并在之后的几十年中，向着结构体系和材料体系两个方向不断地演化发展。结构体系的发展提升了器件的性能特性，而材料体系除了提升器件性能之外，还大大扩展了雪崩光电二极管探测波段的范围（包括可见光、紫外光、红外光等探测波段）。

雪崩光电二极管工作时需要施加较高的反向偏压，并在本征区产生较高的电场。光生载流子在该电场内加速并倍增，将信号放大。其工作原理的示意图如图1所示。光子入射到雪崩光电二极管吸收层，将吸收层材料电子从价带激发到导带，从而产生电子-空穴对。电子或者空穴在电场的输运下，漂移到倍增层，并在倍增层的高场作用下加速。当获得足够的能量后，电子或者空穴在高速运动过程中与晶格发生碰撞，使晶体中的原子发生碰撞电离，从而产生新的电子-空穴对，这个过程称为碰撞电离。同时新生的电子或空穴在高场区作用下，通过加速又与晶格发生碰撞电离，再次形成新生电子-空穴对。经过多次这样的碰撞电离的过程，载流子将会发生指数量级的增加，光电流迅速增大，形成如同雪崩一样的光电流倍增效应，从而将原本微弱的光电流信号放大。普通雪崩倍增探测器工作在低于击穿电压的范围，增益可以达到10～300。部分雪崩倍增探测器可在高于击穿电压的模式下工作，即可以在盖革模式条件下工作，可以实现10⁶以上的增益，能够对单光子信号进行探测。

图1 雪崩光电二极管工作原理示意图

硅（Si）材料是最早使用的雪崩光电二极管材料，其可以探测波长小于1.1微米波段的光。Si材料的电子空穴离化比差异较大，所制备的雪崩倍增探测器噪声特性优异，而且其价格低廉，可以与微电子工艺兼容，是可见光波段首选的雪崩探测器材料。不过，受Si材料带隙的限制，其只能用于可见光及短波红外波段的探测，无法对光纤通信常用的1310纳米及1550纳米波段的光进行探测。因此，有研究人员尝试引入与硅互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor; CMOS）工艺兼容的Ⅳ族元素中的窄带隙的锗（Ge）材料来制备光通信波段的雪崩倍增探测器。但相比于Si材料，Ge材料的离化系数差异小，所制备的雪崩光电二极管器件噪声较高。为解决这一问题，研究人员又设计了以Ge材料为吸收层、Si材料为倍增层的分离吸收倍增结构的Ge/Si雪崩光电二极管，并取得不错的结果。不过，Ge/Si雪崩光电二极管在1550纳米波段的吸收效率较低，而且Si和Ge材料存在晶格失配，缺陷密度大，导致整体Ge/Si雪崩探测器的性能不够理想，器件噪声较高，灵敏度较低。未来还需要从新的材料生长机制、引入新的更窄带隙的材料（如锗锡）等方面入手，进一步提高其性能。

相比于Ⅳ族Ge/Si雪崩倍增探测器的高噪声及低灵敏度等缺点，基于磷化铟（InP）基等Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料更适合制备1310纳米以及1550纳米波段的雪崩光电二极管。InP基雪崩光电二极管一般采用对1310纳米以及1550纳米有着很高量子效率的In_0.53Ga_0.47As材料。In_0.53Ga_0.47As属于窄带隙材料，当吸收层电场超过隧穿阈值时，器件的隧穿暗电流将会随着电场指数量级上升，因此需要采用与In_0.53Ga_0.47As晶格匹配且禁带宽度较大的材料，如铟磷作为倍增层。因此出现了In_0.53Ga_0.47As/InP分离吸收倍增的雪崩光电二极管。这种雪崩光电二极管在通信波段具有很高的量子效率，暗电流也较小，是商用光纤通信系统中常用的雪崩光电二极管。后来，为了进一步提升Ⅲ-Ⅴ族化合物雪崩光电二极管在噪声、隧穿电流、工作速度等性能参数，又出现了In_0.53Ga_0.47As/In_0.52Al_0.48As及In_0.53Ga_0.47As/AlAs_0.56Sb_0.44等Ⅲ-Ⅴ族化合物雪崩光电二极管。

Si、Ge、In_0.53Ga_0.47As等材料解决了可见光与红外光波段的光电探测，但是这些材料的禁带宽度较窄，无法对紫外光与其他波段的光进行选择性吸收。因此，研究人员引入具有更宽带隙的Ⅲ族氮化物材料体系，用于制备紫外雪崩光电二极管。基于氮化镓（GaN）基的Al_xGa_1-xN三元合金，通过调节组分参数，其探测的波谱范围可以覆盖365～200纳米的紫外波段，是制备紫外雪崩光电二极管材料的首选。

材料体系决定了雪崩光电二极管的工作波段范围，随着材料体系的进一步扩展，未来雪崩光电二极管的探测波段也将增大。图2给出了Ⅳ族、Ⅲ-Ⅴ族化合物以及镓氮基材料中具有代表性的3种雪崩光电二极管，分别是Ge/Si雪崩光电二极管、InGaAs/InP雪崩光电二极管以及GaN雪崩光电二极管。

a Ge/Si雪崩光电二极管

b InGaAs/InP雪崩光电二极管

c GaN雪崩光电二极管

图2 不同材料体系的雪崩光电二极管结构体系

早期的光通信波段的雪崩光电二极管采用PIN结构，这种结构又称同质结结构。这种结构的雪崩光电二极管，在P区和N区之间加入一层未掺杂的I区。I区在外加反偏压作用下，被全部耗尽，此时光的吸收和倍增过程发生在同一区域。由于I区要吸收光子，属于窄带隙材料，在强电场条件下，I区产生较大的隧穿暗电流，器件性能很差。

1979年，研究者提出异质结结构的雪崩光电二极管，用于减小器件中的隧穿电流。异质结雪崩光电二极管的吸收层采用窄带隙材料，倍增层采用宽禁带材料。光的吸收发生在窄带隙材料中，倍增过程发生在宽带隙材料中，通过将高电场限制在宽禁带的材料中，吸收层中的隧穿电流大幅降低。这种结构被称为分离的吸收、倍增层结构，简称SAM（separate absorption and multiplication）结构。SAM结构的引入减小了隧穿电流，但是窄带隙的吸收层材料与宽带隙的倍增层材料之间的价带具有很高的能级差。当吸收层的光生载流子向倍增层区域漂移时，能级差带来的势垒效应，将会阻碍光生载流子的输运。为了减小势垒效应，研究人员在吸收层材料与倍增层材料之间，插入一层多元合金的渐变层材料（组分介于吸收层材料与倍增层材料之间）。雪崩光电二极管的结构演变成了分离的吸收、渐变、倍增层结构，简称SAGM（separate absorption，grading and multiplication）结构。

SAGM结构的引入减小了势垒效应，但是这样的结构较难对器件内部的电场进行精确调控。因此，研究者又在吸收层与倍增层之间引入了电荷层来调控器件内部的电场分布。通过电荷层的电场调控，使吸收层的场强大小低于发生隧穿效应的场强阈值，但也必须保证载流子能以饱和速度运动，提高器件的速率和响应度。这样的器件结构称为分离的吸收、渐变、电荷、倍增层结构，简称SAGCM（separate absorption，grading，charge and multiplication）结构，SAGCM结构成为雪崩光电二极管常用的结构。

在SAGCM结构的基础上，为了提高器件的噪声特性，研究者提出了采用碰撞电离工程结构的雪崩光电二极管。这种结构通过提高倍增层材料离化系数差异，从而降低器件的碰撞电离噪声。随着器件结构的发展，雪崩光电二极管的性能参数大幅提升。雪崩光电二极管从PIN结构到SAGCM结构的演化过程如图3所示。

图3 雪崩光电二极管结构发展演变示意图