InGaAs（銦鎵砷）雪崩光電二極管（APD）是一種利用InGaAs半導(dǎo)體材料特性的光電探測(cè)器，主要用于檢測(cè)紅外光譜中的光信號(hào)。APD通過一種稱為雪崩倍增的內(nèi)部增益機(jī)制將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而放大微弱的光信號(hào)。這使得它們具有高靈敏度，適用于需要檢測(cè)低光強(qiáng)的場(chǎng)合。

InGaAs APD由多層結(jié)構(gòu)組成（見圖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(duì)的地方。InGaAs APD的工藝結(jié)構(gòu)

圖1. InGaAs APD的工藝結(jié)構(gòu)

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(jí)聯(lián)反應(yīng)，即雪崩倍增過程。這一過程顯著放大了初始信號(hào)，使得APD能夠檢測(cè)到非常低的光強(qiáng)。InGaAs APD能夠檢測(cè)低光強(qiáng)，是因?yàn)槠鋬?nèi)部增益機(jī)制放大了入射光子產(chǎn)生的初始信號(hào)。雪崩倍增過程發(fā)生得非常迅速，從而實(shí)現(xiàn)了快速檢測(cè)。InGaAs APD對(duì)紅外光特別敏感，通常在900納米到1700納米的范圍內(nèi)，這使得它們非常適合用于1550納米左右的紅外應(yīng)用，這一波長(zhǎng)在許多應(yīng)用中被廣泛使用。

紅外系統(tǒng)中的應(yīng)用

光通信

InGaAs APD在光通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，特別是在長(zhǎng)途光纖網(wǎng)絡(luò)中。它們被用作接收器，用于檢測(cè)通過光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)。APD的高靈敏度使其能夠檢測(cè)到長(zhǎng)距離傳輸后的微弱信號(hào)，這對(duì)于高效的數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要。

激光雷達(dá)與測(cè)距

激光雷達(dá)（LiDAR，光探測(cè)與測(cè)距）系統(tǒng)通過發(fā)射激光脈沖并檢測(cè)反射光來測(cè)量距離（見圖2）。InGaAs APD被用作這些系統(tǒng)中的傳感器，因?yàn)樗鼈兡軌驒z測(cè)從遠(yuǎn)處物體反射回來的低光強(qiáng)信號(hào)。其快速響應(yīng)時(shí)間使得精確的距離測(cè)量成為可能，這對(duì)于自動(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)距儀及其他飛行時(shí)間應(yīng)用使用InGaAs APD作為紅外傳感器，通常工作在1550納米波長(zhǎng)。

成像與光譜學(xué)

InGaAs APD還廣泛應(yīng)用于成像系統(tǒng)，特別是紅外成像領(lǐng)域。它們能夠檢測(cè)物體發(fā)出的熱輻射，這對(duì)于夜視、監(jiān)視和環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用具有重要價(jià)值。在光譜學(xué)中，InGaAs APD用于檢測(cè)特定波長(zhǎng)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(tǒng)中，通過光學(xué)信道傳輸量子比特（qubits）來實(shí)現(xiàn)安全通信（見圖3）。InGaAs APD在其中發(fā)揮關(guān)鍵作用，用于檢測(cè)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(tǒng)安全性和可靠性的理想選擇。

圖3. 利用APD傳感器通過紅外鏈路安全傳輸密碼學(xué)密鑰。

優(yōu)化InGaAs APD在紅外系統(tǒng)中的性能

除了高靈敏度外，InGaAs APD還可以通過優(yōu)化其結(jié)構(gòu)材料（如摻入銻（Sb）合金）來實(shí)現(xiàn)良好的溫度穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定性對(duì)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合金可以顯著降低過量噪聲，這是使用雪崩倍增的光電探測(cè)器中常見的問題。通過選擇具有不同電離系數(shù)的材料，過量噪聲因子可以顯著降低，從而實(shí)現(xiàn)更好的信號(hào)檢測(cè)。此外，這種技術(shù)還使APD能夠快速?gòu)倪^載狀態(tài)恢復(fù)，這對(duì)于激光雷達(dá)等應(yīng)用至關(guān)重要，因?yàn)樘綔y(cè)器可能會(huì)遇到來自附近物體的強(qiáng)烈反射。

溫度對(duì)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(shù)。暗電流是指在無光照時(shí)通過光電二極管的電流，由于載流子的熱生成增強(qiáng)，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面臨的常見挑戰(zhàn)，因?yàn)檩^高的暗電流會(huì)降低信噪比。在最近的一項(xiàng)評(píng)估中，工作電壓的溫度系數(shù)（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(shù)顯著低于其他商業(yè)InGaAs APD，后者的系數(shù)通常高出3到7倍，表明摻Sb的器件具有更好的溫度穩(wěn)定。

噪聲等效功率（NEP）

噪聲等效功率（NEP）是評(píng)估光電探測(cè)模塊靈敏度的關(guān)鍵指標(biāo)。它表示產(chǎn)生與探測(cè)器噪聲水平相等信號(hào)所需的光功率。對(duì)于InGaAs/AlGaAsSb雪崩光電二極管（APD），在不同溫度下測(cè)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(xiàn)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(cè)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能夠在沒有主動(dòng)冷卻系統(tǒng)的情況下保持高靈敏度。

銻（Sb）帶來的改進(jìn)

將銻（Sb）摻入APD結(jié)構(gòu)中，顯著增強(qiáng)了其溫度穩(wěn)定性（見圖4）。基于Sb的材料，如AlGaAsSb，具有高度不同的電子和空穴雪崩電離系數(shù)，這導(dǎo)致較低的過量噪聲因子。這種差異使得APD能夠在更寬的溫度范圍內(nèi)更穩(wěn)定地運(yùn)行，從而減少了對(duì)主動(dòng)溫度控制機(jī)制的需求。

圖4. 銻（Sb）摻入對(duì)APD溫度穩(wěn)定性的影響示意圖

崩擊穿的弱溫度依賴性

雪崩擊穿的弱溫度依賴性歸因于高合金無序勢(shì)能，這使得與溫度無關(guān)的合金散射在與溫度相關(guān)的聲子散射之上占據(jù)主導(dǎo)地位。這一特性使得APD能夠在0℃到85℃的溫度范圍內(nèi)有效運(yùn)行。

銻增強(qiáng)材料系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

通過確保不同的電離系數(shù)，銻（Sb）增強(qiáng)的材料系統(tǒng)降低了與雪崩倍增相關(guān)的噪聲，從而降低了過量噪聲因子。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(cè)信號(hào)。低過量噪聲和高增益的結(jié)合，使得這些APD適用于需要高靈敏度和精確檢測(cè)能力的應(yīng)用。

銻驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)與進(jìn)步

開發(fā)摻銻的InGaAs/AlGaAsSb APD是光電探測(cè)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大進(jìn)步。這些APD表現(xiàn)出低噪聲、高增益，并且在寬溫度范圍內(nèi)具有強(qiáng)大的性能，使其適用于激光雷達(dá)和量子密鑰分發(fā)等要求苛刻的應(yīng)用。在APD結(jié)構(gòu)中加入Sb可以減少過量噪聲并增強(qiáng)溫度性能，為各種光學(xué)系統(tǒng)中的高靈敏度光電探測(cè)提供了一個(gè)有前景的解決方案。本研究中報(bào)告的進(jìn)展表明，在設(shè)計(jì)具有改進(jìn)溫度穩(wěn)定性和性能指標(biāo)的APD方面邁出了重要一步。

總結(jié)

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(zhàn)，為更高效、更可靠的光電探測(cè)技術(shù)鋪平了道路。這一改進(jìn)不僅增強(qiáng)了APD的操作穩(wěn)定性，還擴(kuò)大了它們的應(yīng)用范圍，特別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)型APD的作用可能會(huì)擴(kuò)大，為光學(xué)系統(tǒng)中的創(chuàng)新提供新的可能性。