雪崩光电二极管（APD）是一种重要的光电探测器，它在光通信、光探测、激光雷达等领域发挥着关键作用。APD之所以备受关注，是因为它具备雪崩增益效应，能够将微弱的光信号放大到足以被检测的水平。
据麦姆斯咨询报道，近日由Piotr Martyniuk教授领导的来自波兰华沙军事科技大学和中国科学院上海技术物理研究所的研究团队在Light: Science & Applications期刊上以“Infrared avalanche photodiodes from bulk to 2D materials”为题发表了综述文章，概述了从体材料到低维材料的APD传感技术的方法、技术和应用路线。
APD是一种特殊类型的光电探测器，具有雪崩增益效应，能够将光信号增强到远远高于入射光子数量的水平。APD在光通信、光探测、激光雷达等领域具有广泛的应用。
APD的核心是雪崩增益效应，这一效应是基于光电二极管的内部结构和材料特性而产生的。当光子进入APD并被吸收时，它会激发电子-空穴对的产生。这些载流子在强电场的作用下会获得足够的能量，以至于它们可以撞击其他原子或分子，导致更多的电子-空穴对的产生。这种连锁反应最终导致了一个雪崩效应，将输入光信号的强度大大放大。
APD的结构通常包括一个吸收层、雪崩区域和电子收集区域。吸收层负责捕获入射光子，而雪崩区域是雪崩效应发生的地方。电子收集区域用于收集由雪崩效应产生的电子-空穴对，并产生电流信号。材料的选择对于APD的性能至关重要。常见的材料包括InGaAs、Ge、HgCdTe等，它们在不同波长范围内具有不同的灵敏度和性能。
APD在光通信领域是不可或缺的，它可以用于接收光纤传输的信号，并在光信号传输中实现高速和低噪声。此外，APD还在激光雷达、光探测、夜视设备、医学成像等领域有广泛的应用。它的高灵敏度和低噪声使得它成为许多关键应用的首选。
二维材料是一类具有出色电子特性和结构性能的材料，其中最著名的是石墨烯。石墨烯是一层碳原子排列成的二维结构，具有出色的导电性和机械强度。除了石墨烯，还有许多其他二维材料，如二硫化钼（MoS₂）、二硫化钨（WS₂）和二硒化硒（Se₂）。这些材料在电子学、光电子学和光学领域都有广泛的应用潜力。
二维材料之所以如此引人注目，是因为它们的独特性质，如光学吸收、电子迁移率和能带结构可以通过调控层数、合金化和其他方法进行调整。这使得二维材料成为开发新型光探测器的理想选择。
要设计基于二维材料的雪崩光探测器（avalanche photodetectors），首先需要选择合适的材料。不同的二维材料具有不同的能带结构和光学特性，因此在特定应用中选择正确的材料至关重要。
石墨烯是一种零带隙材料，因此在可见光和红外光范围内具有高吸收率。然而，由于其零带隙特性，石墨烯在探测低能量光子时可能不够灵敏。相比之下，二硫化钼（MoS₂）和二硫化钨（WS₂）等过渡金属二硫族化合物具有适度的能带隙，因此可以在可见光和近红外光范围内实现高效的光吸收和电子雪崩。
此外，考虑到探测器的特定应用，还可以利用层数多少、合金化和异质结构等方法来调整二维材料的性能。这种灵活性使得基于二维材料的雪崩光探测器可以满足不同光谱范围和性能要求的应用需求。
除了选择合适的二维材料，器件设计和工程方法也对光探测器的性能至关重要。
电场调控是一项关键技术，它允许我们通过调整光电探测器内部的电场分布来精确控制电子雪崩效应的发生和增益效应的大小。这种调控可以通过仔细设计探测器的器件结构来实现，包括电极的布局和间距。通过改变电场分布，我们可以影响电子在探测器内部的运动轨迹，从而调整电子雪崩的发生位置和数量。这种精确的控制允许我们优化探测器的性能，以满足特定应用的需求。
噪声抑制是另一个重要的方面，因为雪崩光探测器通常会受到电子雪崩效应引起的噪声干扰。为了抑制这些噪声，我们可以采用多种技术。其中包括封装探测器以隔离外部噪声源，冷却探测器以降低热噪声，并采用高效的电子学设计来处理信号并抑制噪声成分。这些方法的综合应用可以显著提高雪崩光探测器的性能，使其在低噪声环境中工作。
异质结构的创建是另一种关键策略，通过将二维材料与其他材料组合成异质结构，可以实现更复杂的电子和光学性质。这种复杂性可以进一步优化探测器的性能，例如增加吸收率、提高电子传输效率或调整能带结构。异质结构的设计和制备需要精密的工程技术，但它们可以为雪崩光探测器带来显著的性能改进。
最后，选择合适的激发光源也是至关重要的。激发光源的波长必须与雪崩光探测器的波长响应范围匹配，以实现最佳性能。通过精心选择激发光源，我们可以确保探测器能够高效地捕获所需的光信号，从而提高其性能和灵敏度。这需要仔细的光学设计和波长匹配。
综上所述，电场调控、噪声抑制、异质结构设计和激发光源选择是优化基于二维材料的雪崩光探测器性能的关键因素。通过综合运用这些策略，我们可以实现高性能的光探测器，满足各种应用的需求。
基于二维材料的雪崩光探测器具有广泛的应用前景，能够在多个领域中发挥关键作用。首先，它们在通信技术中有着重要地位，能够支持高速光通信系统，实现更快的数据传输速度和更长的传输距离。此外，这些探测器在量子通信中也具有巨大潜力，能够用于量子密钥分发和量子通信网络中的单光子探测任务。在天文学领域，基于二维材料的雪崩光探测器能够捕捉来自宇宙中遥远星体的微弱辐射，帮助科学家们深入研究宇宙的奥秘。此外，它们在激光雷达（LIDAR）系统中也发挥关键作用，提供高分辨率和灵敏度，有助于改善环境监测和目标跟踪。材料科学和生命科学领域也能够受益于这些先进的探测器。它们可以用于研究材料的光学和电学性质，加深对材料特性的理解。在生命科学中，这些探测器可以用于显微镜和光谱学应用，帮助科学家们研究生物分子和细胞结构。此外，基于二维材料的雪崩光探测器还在安全与国防领域具有潜力。它们可以用于激光侦察、光学追踪和导航系统，有助于探测潜在威胁和维护国家安全。
总的来说，这些探测器的应用前景非常广泛，它们的高性能、低噪声和灵活性使它们成为光电子学领域的有力工具，有望推动各种应用的发展和创新。无论是在科研、通信、天文学还是国防等领域，基于二维材料的雪崩光探测器都有望发挥关键作用，为我们的社会和科学进步做出贡献。
