近年来，多种新型SPAD/APD器件相继提出，多数仍处于预研阶段，尚未实现商业化应用。本文对当前学术前沿的SPAD研究进展进行综述（部分内容先行发布，后续将陆续更新）。
Angle-Sensitive SPAD
Angle-Sensitive SPAD通过在单个SPAD像素上方集成微米级金属光栅结构，实现对入射光角度的选择性透过。该设计基于Talbot效应：当平行光穿过周期性光栅时，在特定距离后会重现光栅像，衍射图案的偏移量与入射角相关。光子入射后发生衍射，若衍射明条纹与底层缝隙对齐则通过，否则被阻挡，从而实现角度选择性探测。
通过构建对不同入射角响应的像素阵列，可实现具备角度分辨能力的传感系统。该技术可用于荧光成像中解析发射方向，或实现光线追迹以获取光流信息。
基于超晶格台阶型能带结合的APD
传统APD因随机碰撞电离产生过量噪声，限制其在高灵敏度场景的应用；而光电倍增管（PMT）虽噪声低、增益高，但体积大、需高压驱动，难以集成。为此，美国得克萨斯大学奥斯汀分校等团队提出多级阶梯式APD（multistep staircase APD），融合PMT的低噪优势与APD的固态集成特性。该结构通过能带工程引入“能带台阶”，实现类似PMT的多级倍增机制。由于价带无明显不连续，空穴引发的碰撞电离被抑制，仅电子参与局域化电离，显著降低噪声。
研究采用AlInAsSb四元化合物材料，通过分子束外延（MBE）技术构建超晶格多级异质结结构。每级导带呈陡峭跃升，迫使电子跨越界面时获得远超带隙的能量，触发确定性碰撞电离。该设计将连续随机增益离散为多级固定倍增（每级增益约2倍，总增益为2^N，N为阶梯数），有效抑制噪声。
实验表明，一至三级阶梯APD的增益符合2^N规律，与模拟高度吻合。过量噪声因子（F(M)）始终低于1.1，接近理论极限（F=1），显著优于传统APD和PMT。此外，噪声功率随增益线性增长，而非平方关系，意味着更高增益下具备更优信噪比。该器件在200–220 K即可实现传统HgCdTe探测器在125 K以下的性能，有望成为中红外探测核心器件。
低压低噪弹道雪崩APD
二维材料基APD利用其独特量子效应，在短距离内实现雪崩倍增。南京大学王肖沐/施毅与缪峰团队在黑磷/硒化铟（BP/InSe）异质结中首次发现“弹道雪崩”机制——结合量子弹道输运（电荷几乎无散射、保持相位相干）与可控雪崩效应，在实现载流子倍增的同时保持低功耗、低噪声，突破传统器件瓶颈。
基于该机制，BP/InSe APD在4微米中红外波段实现高达10⁵的增益，外量子效率达24.8%，可在10–180K温度范围内稳定工作。
二维材料APD具有原子级厚度，显著抑制暗电流。通过优化肖特基结与能带结构，暗电流可降低数个数量级。范德华异质结构还支持通过调控层数构造本征结，提升雪崩倍增系数。此类器件在室温工作、小型化、高集成场景中潜力巨大。尽管面临大面积制备与稳定性挑战，随着工艺进步，将在光通信、激光雷达等领域发挥重要作用。
参考文献
Lee, C., et al., A 72 x 60 Angle-Sensitive SPAD Imaging Array for Lens-less FLIM. Sensors (Basel), 2016. 16(9).
March, S.D., et al., Multistep staircase avalanche photodiodes with extremely low noise and deterministic amplification. Nature Photonics, 2021. 15(6): p. 468-474.
Jones, A.H., et al., Low-noise high-temperature AlInAsSb/GaSb avalanche photodiodes for 2-μm applications. Nature Photonics, 2020. 14(9): p. 559-563.
Gao, A., et al., Observation of ballistic avalanche phenomena in nanoscale vertical InSe/BP heterostructures. Nature Nanotechnology, 2019. 14(3): p. 217-222.
Xia, H., et al., Pristine PN junction toward atomic layer devices. Light: Science & Applications, 2022. 11(1): p. 170.
Zhang, Z., et al., Approaching the Intrinsic Threshold Breakdown Voltage and Ultrahigh Gain in a Graphite/InSe Schottky Photodetector. Advanced Materials, 2022. 34(47).
Jia, J., et al., Avalanche Carrier Multiplication in Multilayer Black Phosphorus and Avalanche Photodetector. Small, 2019. 15(38): p. e1805352.