了解并減輕InGaAs雪崩光電二極管的溫度效應
了解并減輕InGaAs
InGaAs
InGaAs APD是一種光電探測器，它利用InGaAs半導體材料的特性來檢測光，尤其是紅外光譜。APD設計用于將光轉換為電信號，并能通過一種稱為雪崩倍增的內部增益機制放大微弱的光信號。這使得APD具有高響應度，適用于需要檢測低強度光的應用。
InGaAs APD有多層結構(圖 1)，通常包括一個InGaAs吸收層和一個不同材料(如AlGaAsSb)制成的倍增層，后者與InP襯底晶格匹配。吸收層吸收進入的光子，產生電子-空穴對。
圖 1. InGaAs APD 工藝結構
然后，這些載流子被倍增層中的電場加速，導致載流子進一步級聯產生，這一過程被稱為雪崩倍增。這會使初始信號顯著放大，讓APD能夠檢測到非常弱的光信號。
InGaAs APD能夠檢測到低強度的光，是因為其內部增益機制放大了光子產生的初始信號。InGaAs APD對紅外光特別敏感，通常在900nm到1700nm之間，因此非常適合1550nm左右的紅外應用，這是許多應用中常用的波長。
紅外系統中的應用
光通信
InGaAs APD廣泛應用于光通信系統，尤其是長距離光纖網絡。它們被用作接收器，以檢測通過光纖傳輸的光信號。APD的高響應度使其能夠檢測到長距離的微弱信號，因此對高效數據傳輸至關重要。
LiDAR
LiDAR(光探測和測距)系統利用激光脈沖探測反射光來測量距離(圖 2)。InGaAs APD能夠檢測遠處物體反射的低強度光，因此在這些系統中被用作傳感器。它們擁有極短的響應時間，可實現精確的距離測量，這對自動駕駛汽車和地形測繪等應用至關重要。
圖 2. 激光測距儀和其他飛行時間應用使用InGaAs APD作為紅外傳感器，通常波長為1550nm。
成像和光譜學
InGaAs APD還可用于成像系統，特別是紅外成像。它們可用于檢測物體的熱輻射，這在夜視、監控和環境監測等應用中非常有價值。在光譜學中，InGaAs APD可用于檢測特定波長的光，幫助分析材料成分和化學性質。
量子密鑰分發
在量子密鑰分發(QKD)系統中，通過光通道傳輸量子比特可實現安全通信(圖 3)。InGaAs APD在檢測QKD中用作量子比特的單光子方面發揮著重要作用。它們的高響應度和低噪聲特性使其成為確保量子通信系統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。
優化 InGaAs APD
除了高響應度之外，InGaAs APD還具有良好的溫度穩定性，這對于在各種環境條件下保持性能至關重要。這種穩定性通常是通過優化APD結構中使用的材料實現的，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的光電探測器中常見的問題。通過選擇具有不同電離系數的材料可以顯著降低過量噪聲系數，從而實現更好的信號檢測。
同樣的技術還能使APD從過載條件下快速恢復，在過載條件下探測器會暴露在高強度的光線下。這種快速恢復在激光雷達等應用中至關重要，因為在這些應用中探測器可能會遇到附近物體的強烈反射。
溫度對APD性能的影響
溫度會影響APD的暗電流和擊穿電壓等參數。暗電流是在沒有光的情況下流過光電二極管的電流，高溫會增強載流子的生成，所以暗電流會隨溫度升高而增大。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，因為較高的暗電流會降低信噪比。
在最近的一次評估中，測得工作電壓的溫度系數(表示固定增益所需的電壓隨溫度變化的程度)從10倍增益時的19.2mV/℃增加到200倍增益時的22.7mV/℃。這一系數明顯低于市場上常見的其他InGaAs APD，后者的系數通常高出3到7倍，這表明Sb增強器件具有更好的溫度穩定性。
噪聲等效功率 (NEP)
NEP是評估光電檢測模塊靈敏度的重要指標，它表示產生等于探測器噪聲水平的信號所需的光功率。對InGaAs/AlGaAsSb APD的NEP在不同溫度下進行了測量，結果表明其響應度很高。
在室溫，130倍增益時，APD的NEP值為29 fW/Hz1/2.在0℃，200倍增益時，該值降至18 fW/Hz1/2.表明在180MHz帶寬下能夠檢測到10個光子。在85℃，60倍增益時，NEP值為77 fW/Hz1/2.表明APD能夠在沒有主動冷卻系統的情況下依舊能保持高靈敏度。
用Sb
將 Sb 摻入 APD 結構中可顯著提高其溫度穩定性(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，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更穩定地運行，從而減少對主動溫度控制機制的需求。
圖 4. 在InGaAs APD制造工藝中添加Sb可降低雪崩倍增時的噪聲，提高APD的靈敏度和溫度穩定性。
雪崩擊穿的低溫度依賴性歸因于先進的無序合金材料，這使得與溫度無關的合金散射比與溫度有關的聲子散射更有優勢。這一特性使 APD 能夠在 0℃ 至 85℃ 溫度范圍內有效工作。
Sb增強材料系統通過實現不同的電離系數來降低與雪崩倍增相關的噪聲，從而降低過量噪聲系數。這使得其響應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信號。低過量噪聲和高增益的結合使這些APD能更好地用在需要高靈敏度和精確檢測能力的應用。
Sb
開發含Sb的InGaAs/AlGaAsSb APD是光電探測領域的一大進步。這些APD在很寬的溫度范圍內表現出低噪聲、高增益以及穩定的性能，適用于要求苛刻的應用，如激光雷達和量子密鑰分配。
在APD結構中添加Sb可降低過量噪聲并提高溫度穩定性，從而為各種光學系統中的高靈敏度光電檢測提供了一種前景廣闊的解決方案。本研究在設計具有更高溫度穩定性和更高性能指標的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、靈敏度和噪聲相關的關鍵難題，為更高效、更可靠的光電檢測技術鋪平了道路。這一改進不僅提高了APD的工作穩定性，還擴大了其應用范圍，尤其是在溫度條件變化的環境中。隨著技術的不斷發展，Sb增強APD的應用可能更加廣泛，它為光學系統的創新提供了新的可能性。
總部位于英國的Phlux Technology公司已開發出一系列基于上述Sb增強化合物半導體制造工藝的無噪聲InGaAs APD。它們可以直接替換部分現有產品，在上述應用和其他應用中實現直接的性能優勢。
