理解并緩解InGaAs雪崩光電二極管（APDs）的溫度效應

InGaAs（銦鎵砷）雪崩光電二極管（APD）是一種利用InGaAs半導體材料特性的光電探測器，主要用于檢測紅外光譜中的光信號。APD通過(guò)一種稱(chēng)為雪崩倍增的內部增益機制將光信號轉換為電信號，從而放大微弱的光信號。這使得它們具有高靈敏度，適用于需要檢測低光強的場(chǎng)合。

InGaAs APD由多層結構組成（見(jiàn)圖1），通常包括一個(gè)InGaAs吸收層和一個(gè)由不同材料（如AlGaAsSb）制成的倍增層，該材料與InP襯底晶格匹配。吸收層是光子被吸收并產(chǎn)生電子-空穴對的地方。InGaAs APD的工藝結構

圖1. InGaAs APD的工藝結構

這些載流子隨后在倍增層中被電場(chǎng)加速，引發(fā)進(jìn)一步的載流子產(chǎn)生級聯(lián)反應，即雪崩倍增過(guò)程。這一過(guò)程顯著(zhù)放大了初始信號，使得APD能夠檢測到非常低的光強。InGaAs APD能夠檢測低光強，是因為其內部增益機制放大了入射光子產(chǎn)生的初始信號。雪崩倍增過(guò)程發(fā)生得非常迅速，從而實(shí)現了快速檢測。InGaAs APD對紅外光特別敏感，通常在900納米到1700納米的范圍內，這使得它們非常適合用于1550納米左右的紅外應用，這一波長(cháng)在許多應用中被廣泛使用。

紅外系統中的應用

光通信

InGaAs APD在光通信系統中得到了廣泛應用，特別是在長(cháng)途光纖網(wǎng)絡(luò )中。它們被用作接收器，用于檢測通過(guò)光纖傳輸的光信號。APD的高靈敏度使其能夠檢測到長(cháng)距離傳輸后的微弱信號，這對于高效的數據傳輸至關(guān)重要。

激光雷達與測距

激光雷達（LiDAR，光探測與測距）系統通過(guò)發(fā)射激光脈沖并檢測反射光來(lái)測量距離（見(jiàn)圖2）。InGaAs APD被用作這些系統中的傳感器，因為它們能夠檢測從遠處物體反射回來(lái)的低光強信號。其快速響應時(shí)間使得精確的距離測量成為可能，這對于自動(dòng)駕駛汽車(chē)和地形測繪等應用至關(guān)重要。

圖2. 激光測距儀及其他飛行時(shí)間應用使用InGaAs APD作為紅外傳感器，通常工作在1550納米波長(cháng)。

成像與光譜學(xué)

InGaAs APD還廣泛應用于成像系統，特別是紅外成像領(lǐng)域。它們能夠檢測物體發(fā)出的熱輻射，這對于夜視、監視和環(huán)境監測等應用具有重要價(jià)值。在光譜學(xué)中，InGaAs APD用于檢測特定波長(cháng)的光，從而助力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）系統中，通過(guò)光學(xué)信道傳輸量子比特（qubits）來(lái)實(shí)現安全通信（見(jiàn)圖3）。InGaAs APD在其中發(fā)揮關(guān)鍵作用，用于檢測作為量子比特的單光子。其高靈敏度和低噪聲特性使其成為確保量子通信系統安全性和可靠性的理想選擇。

圖3. 利用APD傳感器通過(guò)紅外鏈路安全傳輸密碼學(xué)密鑰。

優(yōu)化InGaAs APD在紅外系統中的性能

除了高靈敏度外，InGaAs APD還可以通過(guò)優(yōu)化其結構材料（如摻入銻（Sb）合金）來(lái)實(shí)現良好的溫度穩定性。這種穩定性對于確保器件在不同環(huán)境條件下的性能至關(guān)重要。摻入Sb合金可以顯著(zhù)降低過(guò)量噪聲，這是使用雪崩倍增的光電探測器中常見(jiàn)的問(wèn)題。通過(guò)選擇具有不同電離系數的材料，過(guò)量噪聲因子可以顯著(zhù)降低，從而實(shí)現更好的信號檢測。此外，這種技術(shù)還使APD能夠快速從過(guò)載狀態(tài)恢復，這對于激光雷達等應用至關(guān)重要，因為探測器可能會(huì )遇到來(lái)自附近物體的強烈反射。

溫度對雪崩光電二極管性能的影響

APD的性能受溫度影響，這會(huì )影響諸如暗電流和擊穿電壓等參數。暗電流是指在無(wú)光照時(shí)通過(guò)光電二極管的電流，由于載流子的熱生成增強，暗電流會(huì )隨溫度升高而增加。例如，在InGaAs/AlGaAsSb APD中，暗電流在-56伏電壓下從0℃時(shí)的2.7納安增加到85℃時(shí)的211納安。這種增加是APD面臨的常見(jiàn)挑戰，因為較高的暗電流會(huì )降低信噪比。在最近的一項評估中，工作電壓的溫度系數（表示在固定增益下所需電壓隨溫度的變化量）從增益為10時(shí)的19.2毫伏/℃增加到增益為200時(shí)的22.7毫伏/℃。這一系數顯著(zhù)低于其他商業(yè)InGaAs APD，后者的系數通常高出3到7倍，表明摻Sb的器件具有更好的溫度穩定。

噪聲等效功率（NEP）

噪聲等效功率（NEP）是評估光電探測模塊靈敏度的關(guān)鍵指標。它表示產(chǎn)生與探測器噪聲水平相等信號所需的光功率。對于InGaAs/AlGaAsSb雪崩光電二極管（APD），在不同溫度下測量了NEP，展示了其高靈敏度。在室溫下，APD在增益為130時(shí)實(shí)現了29飛瓦/赫茲平方根（fW/Hz?·?）的NEP（fW/Hz表示每赫茲的飛瓦）。該值在0℃時(shí)下降至18飛瓦/赫茲平方根，增益為200，表明其能夠在180兆赫帶寬下檢測到少至10個(gè)光子。在85℃時(shí)，NEP增加到77飛瓦/赫茲平方根，增益為60，這表明APD能夠在沒(méi)有主動(dòng)冷卻系統的情況下保持高靈敏度。

銻（Sb）帶來(lái)的改進(jìn)

將銻（Sb）摻入APD結構中，顯著(zhù)增強了其溫度穩定性（見(jiàn)圖4）?；赟b的材料，如AlGaAsSb，具有高度不同的電子和空穴雪崩電離系數，這導致較低的過(guò)量噪聲因子。這種差異使得APD能夠在更寬的溫度范圍內更穩定地運行，從而減少了對主動(dòng)溫度控制機制的需求。

圖4. 銻（Sb）摻入對APD溫度穩定性的影響示意圖

崩擊穿的弱溫度依賴(lài)性

雪崩擊穿的弱溫度依賴(lài)性歸因于高合金無(wú)序勢能，這使得與溫度無(wú)關(guān)的合金散射在與溫度相關(guān)的聲子散射之上占據主導地位。這一特性使得APD能夠在0℃到85℃的溫度范圍內有效運行。

銻增強材料系統的優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)確保不同的電離系數，銻（Sb）增強的材料系統降低了與雪崩倍增相關(guān)的噪聲，從而降低了過(guò)量噪聲因子。這使得靈敏度比以前的組件提高了12倍，能夠在低光照條件下更清晰地檢測信號。低過(guò)量噪聲和高增益的結合，使得這些APD適用于需要高靈敏度和精確檢測能力的應用。

銻驅動(dòng)的優(yōu)勢與進(jìn)步

開(kāi)發(fā)摻銻的InGaAs/AlGaAsSb APD是光電探測領(lǐng)域的一項重大進(jìn)步。這些APD表現出低噪聲、高增益，并且在寬溫度范圍內具有強大的性能，使其適用于激光雷達和量子密鑰分發(fā)等要求苛刻的應用。在A(yíng)PD結構中加入Sb可以減少過(guò)量噪聲并增強溫度性能，為各種光學(xué)系統中的高靈敏度光電探測提供了一個(gè)有前景的解決方案。本研究中報告的進(jìn)展表明，在設計具有改進(jìn)溫度穩定性和性能指標的APD方面邁出了重要一步。

總結

將Sb集成到InGaAs APD中解決了與溫度敏感性和噪聲相關(guān)的關(guān)鍵挑戰，為更高效、更可靠的光電探測技術(shù)鋪平了道路。這一改進(jìn)不僅增強了APD的操作穩定性，還擴大了它們的應用范圍，特別是在溫度條件變化的環(huán)境中。隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展，Sb增強型APD的作用可能會(huì )擴大，為光學(xué)系統中的創(chuàng )新提供新的可能性。