【导读】传感和成像应用需要工作在2μm波段的高灵敏度光电探测器，但暗电流密度（Jdark）难以控制，严重阻碍了前沿器件的研发进展。中红外（2——5 μm）探测所用窄带隙材料受到载流子复合和能带间隧道效应的困扰，因此中红外探测器只能在低温下工作。HgCdTe（碲镉汞）是目前最常用的材料系统，工作于温度为125K时，增益为10，Jdark为3 × 10⁴ A cm⁻²。
日前，美国弗吉尼亚大学和德克萨斯大学奥斯汀分校的电气与计算机工程师研发出性能创历史记录的雪崩光电二极管（APD），有望为下一代夜视成像和激光雷达（LiDAR）光电探测器带来变革性技术。对激光雷达来讲，该团队提供的低噪声、2μm波长的APD可在满足人眼安全的前提下接收高功率激光。
美国弗吉尼亚大学和德克萨斯大学奥斯汀分校研发的APD
这项研究成果发表于2020年5月18日的《自然光子学》（Nature Photonics），论文题目为《用于2μm中红外探测应用的低噪声、高温AlInAsSb/GaSb雪崩光电二极管》（Low-noise high-temperature AlInAsSb/GaSb avalanche photodiodes for 2-μm applications）。能够刊载于该月刊的论文均是关于光源、光束操纵和光学探测研究的顶尖成果。在论文中，作者介绍了用于2μm中红外探测APD的详细信息和试验结果，在工作温度为200——220 K时，与现有器件低温工作时的Jdark相当，并证明了过噪声非常低（k ≈0.01），在室温下增益超过了100。
这项突破性技术归功于弗吉尼亚大学电气和计算机工程学院Lucien Carr III教授Joe C. Campbell和德克萨斯大学奥斯汀分校Cullen Trust教授Seth R. Bank的长期合作。师从Campbell教授的2020届博士生Andrew H.Jones和师从Bank教授的博士生Stephen D. March也参与了该项研究。该小组由美国国防高级研究计划局（DARPA）和美国陆军研究办公室资助。
该团队采用了Bank所在先进半导体外延实验室研发的数字合金，其光学性能和电气性能都非常优秀。Bank采用分子束外延技术生长出由铝（AI）、铟（In）、砷（As）和锑（Sb）组成的合金。该合金兼具长波长高灵敏度、超低噪声，并具有现有低噪声APD材料无法实现的低暗电流设计灵活性。
Bank解释：“我们能够将晶体生长过程控制到原子级，这样就实现了无法自然合成的晶体，设计时也考虑到其需要结合有效光电探测器的基本材料特性。”
该团队提供的APD是面向激光雷达的高灵敏度、紧凑型接收器的理想解决方案。许多激光雷达应用，例如机器人、自动驾驶汽车、广域监视和地形绘制，均需要高分辨率的传感器，足以探测到物体反射回来时已大幅衰减的光信号。为获得更强的返回光信号，就需要更高的激光功率，这样会增加眼睛受伤风险，因此人眼安全问题也限制了下一代激光雷达系统的采用。
“对激光雷达来讲，2μm中红外波段是理想的选择，既满足人眼安全要求，又可以被探测器接收。可以想象，我们的APD将成为影响诸多高灵敏度探测器的关键技术。”
目前这项工作的晶圆代工工作正在英国IQE公司转移，而Lockheed Martin公司在进行集成读出电路的光电二极管阵列开发工作。未来，两所大学的合作将集中于实现室温下的低噪声工作，将工作波长进一步扩展，并将灵敏度提高到单光子水平。
文章来源： 麦姆斯咨询
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