我们描述了一种高性能平面InGaAsP/InP单光子雪崩二极管（SPAD），该二极管具有单独的吸收、分级、电荷和倍增（SAGCM）异质结构。通过电场调节和缺陷控制，SPAD在293 K的门控模式下工作，光子探测效率（PDE）为70%，暗计数率（DCR）为14.93 kHz，后脉冲概率（APP）为0.89%。此外，在死区时间为200 ns的主动淬灭模式下工作时，室温下实现了12.49%的PDE和72.29 kHz的DCR。

单光子计数技术在弱信号探测和时间测距中具有重大的应用前景。自从20世纪70年代可见光的光子计数系统研发以来，国际上该领域内的研发小组在不断地发展完善光子计数技术，充分放大光子信号，以降低电子设备的读出噪声。电子倍增电荷耦合器件（Electron Multiplying Charge Coupled Devices, EMCCDs）具有更高的量子效率，可替代传统的可见光光子计数系统，但较大的雪崩噪声阻碍了倍增下入射光子数的准确获取。碲镉汞线性雪崩器件（HgCdTe APD）的过剩噪声因子接近1，几乎无过剩噪声；相对于盖革模式的雪崩器件，没有死时间和后脉冲，不需要淬灭电路，具有超高动态范围，光谱响应范围宽且可调，探测效率和误计数率可独立优化，开辟了红外波段光子计数成像的新应用领域，在天文探测、激光雷达、自由空间通信等应用中具有重要价值。美国雷神（Raytheon）公司和DRS技术公司、法国CEA/LETI实验室和Lynred公司、英国Leonardo公司先后实现了碲镉汞线性雪崩探测器的单光子计数。文中总结了欧美国家在碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器研究方面的技术路线和研究现状，分析了吸收倍增分离型（Separation of Absorption and Magnification, SAM）、平面PIN型和高密度垂直集成型（High Density Vertically Integrated Photodiode, HDVIP）三种结构的HgCdTe APD器件性能、光子计数能力以及制备优缺点。雷神公司采用分子束外延（Molecular-Beam Epitaxy, MBE）方式制备了空穴倍增机制的SAM型短波HgCdTe APD器件，增益可达350，光子探测效率达95%以上，工作温度达180 K以上。DRS技术公司采用液相外延（Liquid Phase Epitaxy, LPE）碲镉汞材料制备了电子倍增机制的HDVIP型中波HgCdTe APD器件，在0.4~4.3 μm的可见光到中红外波段都能响应，最高增益可达6100，光子探测效率大于70%，可实现110 Mbps的自由空间通信。CEA/LETI实验室和Lynred公司采用分子束外延或液相外延制备了电子倍增机制的PIN型短波和中波HgCdTe APD器件，短波器件增益达2 000，中波最高增益可达13000，内光子探测效率达90%，实现了80 Mbps的自由空间通信，在300 K和增益为1时，带宽最高达10 GHz。英国Leonardo公司采用金属有机气相沉积（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, MOVPE）方式制备了电子倍增机制的SAM型短波HgCdTe APD器件，命名为Selex Avalanche Photodiode HgCdTe Infrared Array（SAPHIRA），器件增益可达66@14.5 V，单光子探测率达90%以上，中心距为24 μm的320×256阵列的SAPHIRA器件供给法国First Light Imaging公司，研发出了C-RED ONE相机，相机成功应用于美国天文探测的密歇根红外组合器（Michigan Infrared Combiner, MIRC），将MIRC的系统噪声降低了10~30倍，大大提高了条纹探测的信噪比。国内碲镉汞雪崩探测器研究起步比较晚，主要研究机构有中国科学院上海技术物理研究所、昆明物理研究所和华北光电技术研究所，受限于芯片制备技术和电路技术，目前没有实现光子计数方面的应用，但在焦平面研制上取得了一定进展。中国科学院上海技术物理研究所研制了PIN结构的单元、128×128阵列、320×256阵列中波HgCdTe APD器件，器件增益可达1000以上，增益100以内，增益归一化暗电流密度低于1×10⁻⁷ A/cm²，增益400以内的过剩噪声因子小于1.5，增益133时的噪声等效光子数为12，进行了短积分快速成像演示；单元器件带宽可达300~600 MHz。昆明物理研究所研制了PIN结构的单元和256×256阵列的中波HgCdTe APD器件，单元器件增益可达1000以上；在偏压8.5 V以内，焦平面平均增益归一化暗电流为9.0×10⁻¹⁴~ 1.6×10⁻¹³ A，过噪因子F介于1.0~1.5之间。国内主要是研制平面PIN结构的HgCdTe APD器件，技术路径与法国基本相同。因而，我国可借鉴CEA/LETI实验室成功经验和Lynred公司的运营模式，持续推进HgCdTe APD器件的研究，以早日达到国际先进水平，实现单光子探测和光子计数应用。

北京师范大学新器件实验室（NDL）一直致力于研制结构紧凑、工艺相对简单的外延电阻淬灭型硅光电倍增器(silicon photomultiplier with epitaxial quenching resistor, EQR SiPM)。近期为了满足硅光电倍增器(silicon photomultiplier, SiPM)在核医学成像方面的需要，NDL通过优化器件设计和制作工艺，成功研制出微单元尺寸为15 μm、有效面积为9 mm²的EQR SiPM。相较以往同类型器件，实现了器件暗计数率(dark count rate, DCR)的进一步降低同时保持了较高的光子探测效率(photon detection efficiency, PDE)，在环境温度为20 ℃、过偏压为7 V时，DCR的典型值为226 kHz/mm²、峰值PDE为46%。另外，为了进一步提升EQR SiPM的动态范围，NDL还研制出微单元尺寸为6 μm、有效面积为9 mm²、微单元数目为244720的EQR SiPM，在环境温度为20 ℃、过偏压为7 V时，DCR的典型值为240 kHz/mm²、峰值PDE为28%，其较大的动态范围特别适合高能宇宙射线的测量、强子量能器等应用。

在越来越多的光子计数应用中，用于近红外光波长领域的单光子探测器受到广泛关注。例如在量子信息处理、量子通信、3D激光测距（LiDAR）、时间分辨光谱等光子计数应用领域。文中设计并展示了用于探测1 550 nm波长光子的InGaAs/InP单光子雪崩二极管（SPAD）。这种SPAD 采用分离吸收、过渡、电荷和倍增区域结构 (SAGCM)，在盖革模下工作时具有单光子灵敏度。SPAD的特性包括随温度范围223~293 K变化的击穿电压、暗计数率、单光子检测效率和后脉冲概率。25 μm 直径的 SPAD 显示出一定的温度相关性，击穿电压随温度的变化率约为100 mV/K。当SPAD在盖革模式下温度为223 K工作时，在暗计数率为4.1 kHz，后脉冲概率为3.29%的基础上，对1 550 nm光子实现了21%的单光子探测效率。文中还分析和讨论了SPAD温度相关性的单光子探测效率、暗计数率和后脉冲概率的来源和物理机制。这些机制分析、讨论和计算可以为SPAD的设计和制备提供更多的理论支持和依据。

高精密时频比对是实现全社会信息化系统高精度的时空一致性和时频稳定性的关键技术，为国民经济发展的关键领域提供统一的时间保障。硅单光子探测器凭借其高探测效率、低噪声、低时间抖动、易于集成等优势，成为高精度星地时间比对系统中的关键核心芯片。文中分析了硅单光子探测器探测效率、暗计数和时间抖动之间的相互制约关系，在深入分析硅单光子探测器的最新研究进展的基础上，有效地攻克了探测效率和时间抖动之间的相互制约矛盾，研制出光敏面直径为200 μm、室温下探测效率达50%、时间抖动仅为46 ps的硅单光子探测器芯片，最后简单介绍了该芯片在星地时间比对中的应用效果。