理解并緩解InGaAs雪崩光電二極管（APDs）的溫度效應(yīng)

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器，主要用于檢測紅外光譜中的光信號。APD通過一種稱為雪崩倍增的內(nèi)部增益機制將光信號轉(zhuǎn)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合。

InGaAs APD由多層結(jié)構(gòu)組成（見圖1），通常包括一個InGaAs吸收層和一個由不同材料（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(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加速，引發(fā)進一步的載流子產(chǎn)生級聯(lián)反應(yīng)，即雪崩倍增過程。這一過程顯著放大了初始信號，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(nèi)部增益機制放大了入射光子產(chǎn)生的初始信號。雪崩倍增過程發(fā)生得非常迅速，從而實現(xiàn)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(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，特別是在長途光纖網(wǎng)絡(luò)中。它們被用作接收器，用于檢測通過光纖傳輸?shù)墓庑盘?。APD的高靈敏度使其能夠檢測到長距離傳輸后的微弱信號，這對于高效的數(shù)據(jù)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(tǒng)通過發(fā)射激光脈沖并檢測反射光來測量距離（見圖2）。InGaAs APD被用作這些系統(tǒng)中的傳感器，因為它們能夠檢測從遠處物體反射回來的低光強信號。其快速響應(yīng)時間使得精確的距離測量成為可能，這對于自動駕駛汽車和地形測繪等應(yīng)用至關(guān)重要。

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

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。它們能夠檢測物體發(fā)出的熱輻射，這對于夜視、監(jiān)視和環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)用具有重要價值。在光譜學(xué)中，InGaAs APD用于檢測特定波長的光，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）來實現(xiàn)良好的溫度穩(wěn)定性。這種穩(wěn)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合金可以顯著降低過量噪聲，這是使用雪崩倍增的光電探測器中常見的問題。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，從而實現(xiàn)更好的信號檢測。此外，這種技術(shù)還使APD能夠快速從過載狀態(tài)恢復(fù)，這對于激光雷達等應(yīng)用至關(guān)重要，因為探測器可能會遇到來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通過光電二極管的電流，由于載流子的熱生成增強，暗電流會隨溫度升高而增加。例如，在InGaAs/AlGaAsSb APD中，暗電流在-56伏電壓下從0℃時的2.7納安增加到85℃時的211納安。這種增加是APD面臨的常見挑戰(zhàn)，因為較高的暗電流會降低信噪比。在最近的一項評估中，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時的19.2毫伏/℃增加到增益為200時的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時實現(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個光子。在85℃時，NEP增加到77飛瓦/赫茲平方根，增益為60，這表明APD能夠在沒有主動冷卻系統(tǒng)的情況下保持高靈敏度。

銻（Sb）帶來的改進

將銻（Sb）摻入APD結(jié)構(gòu)中，顯著增強了其溫度穩(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)定地運行，從而減少了對主動溫度控制機制的需求。

圖4. 銻（Sb）摻入對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)有效運行。

銻增強材料系統(tǒng)的優(yōu)點

通過確保不同的電離系數(shù)，銻（Sb）增強的材料系統(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信號。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能力的應(yīng)用。

銻驅(qū)動的優(yōu)勢與進步

開發(fā)摻銻的InGaAs/AlGaAsSb APD是光電探測領(lǐng)域的一項重大進步。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(yīng)用。在APD結(jié)構(gòu)中加入Sb可以減少過量噪聲并增強溫度性能，為各種光學(xué)系統(tǒng)中的高靈敏度光電探測提供了一個有前景的解決方案。本研究中報告的進展表明，在設(shè)計具有改進溫度穩(wěn)定性和性能指標的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、更可靠的光電探測技術(shù)鋪平了道路。這一改進不僅增強了APD的操作穩(wěn)定性，還擴大了它們的應(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增強型APD的作用可能會擴大，為光學(xué)系統(tǒng)中的創(chuàng)新提供新的可能性。