短波红外单光子探测技术三十年：在 1550 nm 波段，超导与半导体谁才是最务实的选择？

1.核心技术突破

过去三十年，1310 nm与1550 nm短波红外（SWIR）波段的单光子探测技术取得了显著进展。

本综述由英国赫瑞瓦特大学Gerald S. Buller教授团队撰写，系统对比了超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）与半导体单光子雪崩二极管（SPADs）两大技术路线。

当前技术已实现：SNSPD在1550 nm波段系统探测效率达99%，时间抖动低于5 ps；锗硅（Ge-on-Si）材料体系在室温下取得突破；探测器阵列从单像素扩展到40万像素，在量子密钥分发、远程LiDAR和生物光子学中得到实际应用。

2.技术背景与挑战

早期光电倍增管在SWIR波段面临工作电压过高（>1000 V）、体积庞大、冷却要求苛刻等问题，且在1.4 μm以上波段量子效率极低。

随着量子技术与遥感需求增长，SWIR波段（1.4-3 μm）的价值日益凸显：

1310/1550 nm是光纤通信窗口波段，对长距离量子密钥分发至关重要；SWIR激光人眼安全阈值高，受大气散射和太阳背景噪声影响小，适合高分辨率LiDAR；SWIR光谱穿透烟雾和生物组织能力强，在生物荧光成像中不可替代。

但单光子探测器面临三大核心挑战：

1.暗计数率（DCR）过高——窄带隙材料室温下易受热激发产生噪声；

2.后脉冲效应——载流子被缺陷捕获后延迟释放，诱发虚假二次雪崩；

3.材料晶格失配——Ge生长在Si衬底上的4.2%晶格失配产生高密度位错，严重损害器件性能。

3.技术路径与解决方案

超导纳米线（SNSPD）优化：采用曲折（Meander）纳米线设计增加有效截面和光子耦合效率；引入光学腔和分布式布拉格反射镜（DBR）结构，使光子在超薄超导层多次反射，实现98-99%的系统探测效率。

III-V族SPAD的SACM架构：针对InGaAs/InP材料在强电场下产生的严重隧穿电流，采用分离吸收、电荷与倍增（SACM）结构。

通过引入电荷层精确调控电场分布：使吸收层维持低电场抑制噪声，倍增层具备足够电场引发雪崩。利用InGaAsP渐变层缓解价带突变,帮助空穴从吸收层注入倍增层。

Ge-on-Si缺陷控制：针对4.2%晶格失配产生的位错，提出循环高温热退火与外延颈缩技术，将穿透位错密度限制在氧化层壁中。

新型伪平面（Pseudo-planar）几何设计通过选择性离子注入构建电荷层，将高电场区与器件侧壁隔离，显著降低侧壁诱导的暗计数。

4.器件制备工艺

SNSPD制备：在蓝宝石或硅衬底上通过反应溅射沉积5-10 nm厚的NbN、NbTiN或非晶WSi薄膜；利用电子束曝光与反应离子刻蚀定义50-100 nm宽的曲折纳米线；集成增透膜与金属反射镜形成垂直谐振腔结构。

InGaAs/InP SPAD工艺：采用MOCVD在InP衬底上生长InGaAs吸收层、InGaAsP渐变层及InP倍增层；通过两次不同深度的锌扩散工艺形成p型区域，构建双扩散阱结构优化边缘电场分布；采用背向照明几何结构并集成微透镜提升光子收集率。

Ge-on-Si CMOS兼容工艺：在Si衬底上直接生长Ge吸收层并多轮高温退火降低缺陷；采用选择性硼离子注入在Si倍增层上方形成直径约100 μm的电荷层，无需保护环即可有效抑制边缘击穿；将Ge-on-Si SPAD横向集成于硅波导，增加光子与吸收物质交互长度。

5.性能表征与对比

核心参数定义：单光子探测效率（SPDE）指单光子入射时产生可测量信号的概率；暗计数率（DCR）为无光照下的虚假计数率；噪声等效功率（NEP）综合衡量探测效率与噪声；时间抖动指入射光子与输出电信号间的时间不确定性；后脉冲概率限制最大计数率。

SNSPD性能：1550 nm波段系统探测效率达98-99%；时间抖动突破4.3 ps；64像素阵列平均每像素SPDE超过77.7%，阵列总计数率达645 Mcps。

InGaAs/InP SPAD表现：在220 K（Peltier冷却）下，典型商用器件1550 nm的SPDE为15-25%，先进设计（采用DBR与背面微透镜）可达60%；233 K下10%效率时DCR低至127 Hz，175 K下甚至达35 cps；通过正弦门控技术时间抖动降至44 ps。

Ge-on-Si突破：300 K下实现1310 nm波段探测，2.5 V超额偏置下SPDE达24%，DCR为22 MHz；125 K下伪平面结构NEP约10⁻¹⁷ WHz⁻¹/²；双台面结构将抖动降至81 ps。

三十年性能演进总图显示：SNSPD占据极低NEP与极低温度区域（10⁻¹⁹ WHz⁻¹/²），展现最高探测灵敏度；InGaAs SPAD主要分布在200-250 K区间，是性能与系统复杂度的平衡点；Ge-on-Si SPAD的NEP较高（10⁻¹⁴至10⁻¹⁵ WHz⁻¹/²），但300 K附近运作能力是其独特优势。

6.应用选择与未来方向

技术选择依据：SNSPDs提供极限光学性能，适合深空探测、暗物质搜寻和光学量子计算，虽然低温冷却系统体积大、成本高，但在基础科学研究中地位不可动摇；

InGaAs/InP SPADs是最成熟的半导体SWIR探测技术，Peltier冷却（220 K）使系统轻量化且便携，适用于机载/车载LiDAR和量子通信网络远程节点；

Ge-on-Si SPADs具备CMOS兼容性与低成本大规模制造潜力，虽然1550 nm性能仍落后III-V族材料，但1310 nm表现已展现硅光子集成电路应用前景。

7.研发重点

大规模阵列化与多路复用，SNSPD已迈向40万像素超大阵列；波长扩展，通过引入锡（Sn）形成GeSn合金提升1550 nm以上波段吸收效率；集成光子学融合，将SPAD直接集成于硅波导利用长交互距离补偿薄吸收层效率不足；优化锌扩散工艺精确控制三维电场分布，开发高效集成主动猝灭电路提升计数率和降低噪声。

SWIR单光子探测技术已从实验室原型演进为支撑现代量子通信与精密传感的基石。

SNSPD在性能指标上占据优势，硅基与III-V族SPAD的常温/高温运作能力为消费电子与移动传感领域开辟了广阔商业路径。