了解并減輕InGaAs雪崩光電二極管的溫度效應(yīng)
了解并減輕InGaAs
InGaAs
InGaAs APD是一種光電探測(cè)器，它利用InGaAs半導(dǎo)體材料的特性來檢測(cè)光，尤其是紅外光譜。APD設(shè)計(jì)用于將光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并能通過一種稱為雪崩倍增的內(nèi)部增益機(jī)制放大微弱的光信號(hào)。這使得APD具有高響應(yīng)度，適用于需要檢測(cè)低強(qiáng)度光的應(yīng)用。
InGaAs APD有多層結(jié)構(gòu)(圖 1)，通常包括一個(gè)InGaAs吸收層和一個(gè)不同材料(如AlGaAsSb)制成的倍增層，后者與InP襯底晶格匹配。吸收層吸收進(jìn)入的光子，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。
圖 1. InGaAs APD 工藝結(jié)構(gòu)
然后，這些載流子被倍增層中的電場(chǎng)加速，導(dǎo)致載流子進(jìn)一步級(jí)聯(lián)產(chǎn)生，這一過程被稱為雪崩倍增。這會(huì)使初始信號(hào)顯著放大，讓APD能夠檢測(cè)到非常弱的光信號(hào)。
InGaAs APD能夠檢測(cè)到低強(qiáng)度的光，是因?yàn)槠鋬?nèi)部增益機(jī)制放大了光子產(chǎn)生的初始信號(hào)。InGaAs APD對(duì)紅外光特別敏感，通常在900nm到1700nm之間，因此非常適合1550nm左右的紅外應(yīng)用，這是許多應(yīng)用中常用的波長(zhǎng)。
紅外系統(tǒng)中的應(yīng)用
光通信
InGaAs APD廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)，尤其是長(zhǎng)距離光纖網(wǎng)絡(luò)。它們被用作接收器，以檢測(cè)通過光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)。APD的高響應(yīng)度使其能夠檢測(cè)到長(zhǎng)距離的微弱信號(hào)，因此對(duì)高效數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要。
LiDAR
LiDAR(光探測(cè)和測(cè)距)系統(tǒng)利用激光脈沖探測(cè)反射光來測(cè)量距離(圖 2)。InGaAs APD能夠檢測(cè)遠(yuǎn)處物體反射的低強(qiáng)度光，因此在這些系統(tǒng)中被用作傳感器。它們擁有極短的響應(yīng)時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)精確的距離測(cè)量，這對(duì)自動(dòng)駕駛汽車和地形測(cè)繪等應(yīng)用至關(guān)重要。
圖 2. 激光測(cè)距儀和其他飛行時(shí)間應(yīng)用使用InGaAs APD作為紅外傳感器，通常波長(zhǎng)為1550nm。
成像和光譜學(xué)
InGaAs APD還可用于成像系統(tǒng)，特別是紅外成像。它們可用于檢測(cè)物體的熱輻射，這在夜視、監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用中非常有價(jià)值。在光譜學(xué)中，InGaAs APD可用于檢測(cè)特定波長(zhǎng)的光，幫助分析材料成分和化學(xué)性質(zhì)。
量子密鑰分發(fā)
在量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)中，通過光通道傳輸量子比特可實(shí)現(xiàn)安全通信(圖 3)。InGaAs APD在檢測(cè)QKD中用作量子比特的單光子方面發(fā)揮著重要作用。它們的高響應(yīng)度和低噪聲特性使其成為確保量子通信系統(tǒng)安全和可靠的理想選擇。
圖 3. 利用 APD傳感器通過紅外鏈路安全傳輸加密密鑰。
優(yōu)化 InGaAs APD
除了高響應(yīng)度之外，InGaAs APD還具有良好的溫度穩(wěn)定性，這對(duì)于在各種環(huán)境條件下保持性能至關(guān)重要。這種穩(wěn)定性通常是通過優(yōu)化APD結(jié)構(gòu)中使用的材料實(shí)現(xiàn)的，例如加入Sb(Sb)合金。
添加Sb合金可以最大限度地減少過量噪聲，過量噪聲是使用雪崩倍增技術(shù)的光電探測(cè)器中常見的問題。通過選擇具有不同電離系數(shù)的材料可以顯著降低過量噪聲系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)更好的信號(hào)檢測(cè)。
同樣的技術(shù)還能使APD從過載條件下快速恢復(fù)，在過載條件下探測(cè)器會(huì)暴露在高強(qiáng)度的光線下。這種快速恢復(fù)在激光雷達(dá)等應(yīng)用中至關(guān)重要，因?yàn)樵谶@些應(yīng)用中探測(cè)器可能會(huì)遇到附近物體的強(qiáng)烈反射。
溫度對(duì)APD性能的影響
溫度會(huì)影響APD的暗電流和擊穿電壓等參數(shù)。暗電流是在沒有光的情況下流過光電二極管的電流，高溫會(huì)增強(qiáng)載流子的生成，所以暗電流會(huì)隨溫度升高而增大。例如在InGaAs/AlGaAsSb APD中，隨著溫度的升高，暗電流會(huì)從0℃的2.7nA增加到85℃的211nA(電壓為-56V)。這種問題是APD面臨的共同挑戰(zhàn)，因?yàn)檩^高的暗電流會(huì)降低信噪比。
在最近的一次評(píng)估中，測(cè)得工作電壓的溫度系數(shù)(表示固定增益所需的電壓隨溫度變化的程度)從10倍增益時(shí)的19.2mV/℃增加到200倍增益時(shí)的22.7mV/℃。這一系數(shù)明顯低于市場(chǎng)上常見的其他InGaAs APD，后者的系數(shù)通常高出3到7倍，這表明Sb增強(qiáng)器件具有更好的溫度穩(wěn)定性。
噪聲等效功率 (NEP)
NEP是評(píng)估光電檢測(cè)模塊靈敏度的重要指標(biāo)，它表示產(chǎn)生等于探測(cè)器噪聲水平的信號(hào)所需的光功率。對(duì)InGaAs/AlGaAsSb APD的NEP在不同溫度下進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明其響應(yīng)度很高。
在室溫，130倍增益時(shí)，APD的NEP值為29 fW/Hz1/2.在0℃，200倍增益時(shí)，該值降至18 fW/Hz1/2.表明在180MHz帶寬下能夠檢測(cè)到10個(gè)光子。在85℃，60倍增益時(shí)，NEP值為77 fW/Hz1/2.表明APD能夠在沒有主動(dòng)冷卻系統(tǒng)的情況下依舊能保持高靈敏度。
用Sb
將 Sb 摻入 APD 結(jié)構(gòu)中可顯著提高其溫度穩(wěn)定性(圖 4)。基于 Sb 的材料，如 AlGaAsSb，具有高度不同的電子和空穴碰撞電離系數(shù)，因此過量噪聲因子較低。這種差異允許在較寬的溫度范圍內(nèi)更穩(wěn)定地運(yùn)行，從而減少對(duì)主動(dòng)溫度控制機(jī)制的需求。
圖 4. 在InGaAs APD制造工藝中添加Sb可降低雪崩倍增時(shí)的噪聲，提高APD的靈敏度和溫度穩(wěn)定性。
雪崩擊穿的低溫度依賴性歸因于先進(jìn)的無序合金材料，這使得與溫度無關(guān)的合金散射比與溫度有關(guān)的聲子散射更有優(yōu)勢(shì)。這一特性使 APD 能夠在 0℃ 至 85℃ 溫度范圍內(nèi)有效工作。
Sb增強(qiáng)材料系統(tǒng)通過實(shí)現(xiàn)不同的電離系數(shù)來降低與雪崩倍增相關(guān)的噪聲，從而降低過量噪聲系數(shù)。這使得其響應(yīng)度比以前的元件提高了12倍，從而能夠在弱光條件下更清晰地檢測(cè)信號(hào)。低過量噪聲和高增益的結(jié)合使這些APD能更好地用在需要高靈敏度和精確檢測(cè)能力的應(yīng)用。
Sb
開發(fā)含Sb的InGaAs/AlGaAsSb APD是光電探測(cè)領(lǐng)域的一大進(jìn)步。這些APD在很寬的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出低噪聲、高增益以及穩(wěn)定的性能，適用于要求苛刻的應(yīng)用，如激光雷達(dá)和量子密鑰分配。
在APD結(jié)構(gòu)中添加Sb可降低過量噪聲并提高溫度穩(wěn)定性，從而為各種光學(xué)系統(tǒng)中的高靈敏度光電檢測(cè)提供了一種前景廣闊的解決方案。本研究在設(shè)計(jì)具有更高溫度穩(wěn)定性和更高性能指標(biāo)的APD方面邁出了一大步。
在InGaAs APD中添加Sb，該方案解決了與溫度、靈敏度和噪聲相關(guān)的關(guān)鍵難題，為更高效、更可靠的光電檢測(cè)技術(shù)鋪平了道路。這一改進(jìn)不僅提高了APD的工作穩(wěn)定性，還擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍，尤其是在溫度條件變化的環(huán)境中。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，Sb增強(qiáng)APD的應(yīng)用可能更加廣泛，它為光學(xué)系統(tǒng)的創(chuàng)新提供了新的可能性。
總部位于英國的Phlux Technology公司已開發(fā)出一系列基于上述Sb增強(qiáng)化合物半導(dǎo)體制造工藝的無噪聲InGaAs APD。它們可以直接替換部分現(xiàn)有產(chǎn)品，在上述應(yīng)用和其他應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)直接的性能優(yōu)勢(shì)。
