芯耀
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众所周知，目前的商用探测器中，硅探测器被广泛应用在可见波段以及900nm-1100nm附近近红外波段，而在1um后，尤其是1550nm波段，锗（Ge）PD与铟镓砷（InGaAs）PD是两条最具代表性的技术路线。其中InGaAs探测器因其高性能被广泛使用。而Ge探测器因其高集成度优势，也被视为大规模像素阵列红外成像的关键技术发展方向。
材料决定性能，Ge和InGaAs的材料参数对比
光电特性差异由材料参数直接决定，其中关键的参数是带隙Eg，迁移率u，分别决定器件能吸收的波长下限和光生子载流子能跑多快（即收集效率）。而暗电流是材料带隙，生长工艺，集成工序共同决定的，难以直接对应一个确切的材料参数。InGaAs和Ge的参数对比如下表：
Ge和InGaAs的材料参数对比,原创图表，转载请备注来源
上图对比了Ge和InGaAs的材料参数。InGaAs 拥有直接带隙，电子迁移率（约 11000 cm²/V·s）是 Ge 的近三倍，光吸收效率高、器件响应速度快；但其空穴迁移率极低（约 400 cm²/V·s），雪崩过程需专门结构规避慢空穴的拖累。Ge 的吸收波段虽然和InGaAs基本一致，但是本征载流子浓度 n 比 InGaAs 高约 200 倍，热激发产生的暗电流显著更大，室温下噪声控制困难。因此综合的光电探测性能上说InGaAs更有优势。
然而，在中低端的消费场景领域，Ge一直是备受瞩目的关键技术路线。关键的差异在晶格层面：Ge 与硅的晶格失配约 4.2%，虽不完美，却可通过应力工程实现 CMOS 单片集成；而 InGaAs 与硅失配高达 8.1%甚至更高，直接外延将产生灾难性位错，只能依赖昂贵的异质键合（直接带来像元密度，像素尺寸，成本等的限制）。 因此，InGaAs 以牺牲集成度换取极致光电性能，主导光通信与高端 LiDAR；Ge 则以材料性能的妥协换取硅基生态的"入场券"，在成本敏感的消费级大阵列应用中另辟蹊径。
InGAs，响应度、暗电流等多维性能对比下的优胜者
吸收系数对比，图片来源：https://www.cswafer.com/ingaas-guangdiantanceqiwaiyanpian/
上图显示了InGaAs和Ge的吸收系数对比。InGaAs 的直接带隙使其处于强吸收平台区，薄层即可实现高效、稳定的光电转换；Ge 的间接带隙使其处于吸收边尾部，α 随波长急剧衰减，器件必须增厚以补偿效率损失，进而牺牲速度、带宽和暗电流性能。
Ge和InGaAs响应度对比，图片来源：https://photonicsreport.com/blog/what-is-the-best-wavelength-for-automotive-lidar/
上图显示了典型光电探测器材料的响应度随波长的变化情况。硅光电探测器的响应度在约900nm处达到峰值，而铟镓砷（InGaAs）光电探测器的响应度在约1550nm处达到峰值。锗光电探测器也可以使用，响应波段比InGAs略短，峰值约在1400纳米左右，而且响应度较低。因此，从性能角度说Ge探测器并没有性能优势。
在暗电流控制这一光电探测器的核心指标上，Ge 与 InGaAs 之间存在量级鸿沟。Ge 探测器的暗电流劣势，是"窄带隙高本征激发"与"大失配外延缺陷"的双重叠加，再经"表面钝化不良"和"高电场隧穿"指数放大后的必然结果。
首先，本征热激发是暗电流的物理底板。Ge 的室温带隙仅 0.67 eV，窄于 InGaAs 的 0.74 eV，导致其本征载流子浓度在常温工作下比InGaAs高200倍。
其次，Ge 与 Si 的晶格失配约 4%，应变弛豫引入的穿透位错。此外，Ge 的天然氧化物 GeO₂ 热力学不稳定，表面悬挂键密度高，难以形成像 Si/SiO₂ 那样完美的钝化界面。在台面刻蚀的侧壁处，缺陷与氧化层陷阱共同构成表面漏电流通道。
总的来说，从光电探测器的几个关键核心参数比，Ge探测器信噪比，响应度，吸收效率都不具备优势。
InGaAs探测器：高性能红外探测，光通信领域主流技术
下图中展示了光纤衰减与波长的关系曲线，有三个衰减最小点，称为电信传输窗口。三个电信传输窗口的中心分别波长约为900纳米、1300纳米和1550纳米。其中900nm波段一般用在短距通信。1550nm可以使用高效的掺铒光纤放大器，因此该窗口是对于长途光纤通信系统来说是理想的。
InGaAs APD是当前光通信领域的绝对主流。其直接带隙材料特性赋予了它在1.3 μm和1.55 μm通信窗口极高的响应度（0.9–1.1 A/W），更重要的是，其暗电流可控制在pA至nA量级，配合成熟的InP基外延工艺，能够实现高增益（>100）与极低的过剩噪声因子。这些特性使其成为长距离激光雷达（>100 m）、低光子计数探测以及1550 nm光通信系统的首选方案。
单片集成：InGaAs 的硬伤 vs Ge 的转机
前面对比提高，Ge在性能上难以和InGaAs媲美，那为什么Ge基红外却一直是红外探测领域的研究热点呢？这不得不提到InGaAs的关键硬伤。
InGaAs阵列示意图，图片来源：https://new-imaging-technologies.com/wp-content/uploads/InGaAs-Sensor-architecture-edited-600x400.webp
InGaAs的主要硬伤是：无法与硅基CMOS工艺单片集成。而在消费场景领域，产品的系统级成本与集成度，往往比单一性能参数更具商业权重。
InGaAs 探测器至今仍依赖 III-V 族衬底（InP）外延、芯片级倒装焊或晶圆键合等混合集成方案。这一路径不仅带来高昂的封装与温控成本，更在像素阵列规模、良率、以及与驱动电路的互连带宽上设置了难以逾越的天花板。当 LiDAR 或机器视觉系统需要百万级像素、亚微米间距的焦平面阵列时，InGaAs 的"异质基因"使其几乎不可能复制 CMOS 图像传感器过去二十年的成本下降和像素微缩曲线。
Ge 的转机，正在于它拿到了硅基半导体生态的"入场券"。作为硅光子学的"原生材料"， Ge 与 Si 的晶格失配（~4%）虽仍属大失配体系，但已落入工程可控区间——通过低温缓冲层、循环退火、选择性外延（SEG）等应力工程手段，Ge 可在硅上实现低位错密度（10⁷–10⁸ cm⁻²）外延，且其工艺温度窗口（<<600°C）与 CMOS 后道兼容。这意味着 Ge 光电二极管能够实现与CMOS前端的单片集成，与硅波导、调制器、乃至晶体管读出电路共面集成于同一衬底，直接继承成熟晶圆厂的产能、良率管控和规模化成本优势。这一特性使其在大规模阵列（如SPAD、dToF）和消费级深度感知应用中具有不可替代的成本优势。
Ge探测器：3D成像等消费领域 "长波-低成本-高分辨"不可能三角的潜在解
此外，可以看到，近年不断有新的技术推动Ge探测器实现器件结构和工艺优化，推动性能提升，弥补其探测性能劣势。
Artilux 团队 2024 年发表于 Nature 正刊 的突破性工作——"Room temperature operation of germanium-silicon single-photon avalanche diode"开发一种在室温下操作的高性能锗-硅单光子雪崩二极管（GeSi SPAD）。
核心图片1：器件结构和实现
Ge探测器在性能上的关键硬伤不是灵敏度，而是暗电流导致的信噪比恶化（体现在NEP）。
因暗电流极高，GeSPAD只能在 <<200 K 的低温 下进入 Geiger 模式工作。而2024年在正刊上发表的这一工作首次报道了 CMOS 兼容、室温下高性能工作的 GeSi SPAD，彻底打破了这一物理瓶颈。
该论文的核心设计是，器件采用 Ge 吸收层 + Si 倍增层 的分离结构（直径 15 μm），其核心创新在于 Si 中引入了一个 p 型屏蔽层（screening layer），将高电场屏蔽在 Ge 侧壁之外，防止低质量 Ge 侧壁区域（位错、缺陷密集区）被高电场穿透。
这一设计可以实现，即使器件偏置远高于击穿电压，Ge 侧壁的电场仍 <<1 kV/cm，从而将初级暗电流压制至约 8 pA（4.5 μA/cm²），为 Ge 基 APD/SPAD 文献中最低值这同时解决了 Ge-on-Si 器件的三大顽疾：Si/Ge 晶格失配 导致的穿透位错、Ge 表面钝化质量不足、Ge 侧壁低质量区域 的高电场诱导漏电。
核心图片2：实现NEP和工作温度性能业界最优
论文主要成果总结
作为概念验证，团队利用该 GeSi SPAD 搭建了 直接飞行时间（dToF）LiDAR 系统，在 1310 nm 激光、室内正常照明环境下，成功捕获了 3D 点云图像（字母和几何体）
核心图片3：点云展示
总结
Ge和InGaAs对比
参考资料
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