紅外雪崩光電二極管的工作原理和發(fā)展趨勢(shì)

由于雪崩倍增效應(yīng)在近紅外（NIR）、短波紅外（SWIR）、中波紅外（MWIR）和長(zhǎng)波紅外（LWIR）波段范圍內(nèi)具有放大機(jī)制，因此可用于探測(cè)低功率光信號(hào)甚至于單個(gè)光子。用于遠(yuǎn)程軍事及空間應(yīng)用等領(lǐng)域的先進(jìn)激光雷達(dá)（LiDAR）和武器系統(tǒng)必須能夠在多種大氣條件下（包括CO、CO2和H2O蒸汽等氣體的吸收）探測(cè)、識(shí)別并跟蹤各類(lèi)目標(biāo)，其中各類(lèi)氣體的吸收會(huì)導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)中信號(hào)的顯著衰減。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，由來(lái)自波蘭華沙董布羅夫斯基軍隊(duì)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用物理研究所（Institute of Applied Physics, Military University of Technology, Poland）和中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的Piotr Martyniuk教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)在Light: Science & Applications期刊上發(fā)表了以“Infrared avalanche photodiodes from bulk to 2D materials”為主題的論文。該論文的第一作者和通訊作者為Piotr Martyniuk。這篇論文綜述了紅外雪崩光電二極管（APD）的發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)趨勢(shì)；涵蓋了塊體材料碲鎘汞（HgCdTe）和Ⅲ-Ⅴ族材料體系，包括眾所周知的“第三波（third wave）”系列材料之一：超晶格（SL）。

圖1 從塊體材料到低維材料的雪崩光子傳感技術(shù)的方法、技術(shù)及應(yīng)用路線(xiàn)

這種被抑制的輸出信號(hào)需要一個(gè)額外的放大器，以及在檢波器級(jí)正確探測(cè)信號(hào)的系統(tǒng)。基于APD的器件表現(xiàn)出高寬帶（BW）與高增益（M）——高增益帶寬積（GBW）以及低過(guò)量噪聲[F(M)]等特性，非常適合遠(yuǎn)程應(yīng)用中被抑制的光信號(hào)的探測(cè)，例如自由空間光通信（FSO）、夜視、光探測(cè)和測(cè)距（LiDAR）、飛行時(shí)間（ToF）、智能機(jī)器人以及軍事應(yīng)用（最終戰(zhàn)場(chǎng)條件）等。

形成這種趨勢(shì)的主要原因無(wú)疑是轉(zhuǎn)向光學(xué)量子信息應(yīng)用（如量子密鑰分發(fā)，QKD）的發(fā)展所致。這些應(yīng)用對(duì)探測(cè)器的性能提出了嚴(yán)格的要求，同時(shí)這些要求與公認(rèn)的典型APD性能不同。因此，提高GBW并抑制F(M)一直是APD進(jìn)步的關(guān)鍵目標(biāo)。

圖2 APD的工作原理

抑制F(M)的方法可分為三種策略：（1）選擇一種具有助益倍增特性的材料（包括“第三波（third wave）”材料及其技術(shù)）。（2）大幅抑制F(M)可以通過(guò)縮放雪崩層來(lái)利用倍增效應(yīng)的非局部作用達(dá)到。（3）利用巧妙設(shè)計(jì)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的沖擊電離工程（I2E）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3 APD器件設(shè)計(jì)的發(fā)展演變

材料的選擇對(duì)于APD的性能至關(guān)重要。常見(jiàn)的材料包括InGaAs、Ge、HgCdTe以及超晶格等，它們?cè)诓煌ㄩL(zhǎng)范圍內(nèi)具有不同的靈敏度和性能。

圖4 銦鎵砷（InGaAs）/磷化銦（InP）SAM-APD

圖5 低噪聲光電倍增管（PMT）與多量子阱APD的器件結(jié)構(gòu)比較

二維（2D）層狀材料及其范德華（vdW）異質(zhì)結(jié)構(gòu)也屬于“第三波（third wave）”系列材料，可用于包括單光子計(jì)數(shù)技術(shù)的雪崩倍增領(lǐng)域。在過(guò)去十年中，關(guān)于二維光電探測(cè)器的研究數(shù)量有著驚人的增長(zhǎng)，然而，這些材料因薄原子性質(zhì)而表現(xiàn)出低吸收。沖擊電離導(dǎo)致載流子倍增是一種制備高探測(cè)效率二維光電探測(cè)器的有效方法。

圖6 低維固體雪崩光電探測(cè)器

與標(biāo)準(zhǔn)塊體材料相比，二維材料表現(xiàn)出如機(jī)械柔性、強(qiáng)光-物質(zhì)耦合、自鈍化表面以及柵極可調(diào)諧費(fèi)米能級(jí)等諸多特殊能力。這些材料的特點(diǎn)在于不同的沖擊電離系數(shù)隨載流子輸運(yùn)方向而變化。此外，在二維材料中不僅存在傳統(tǒng)的沖擊電離效應(yīng)，還存在彈道雪崩機(jī)制。

因此，研究具有雪崩倍增的低臨界電場(chǎng)特征的創(chuàng)新材料對(duì)于實(shí)現(xiàn)高能效光電器件具有重要意義。傳統(tǒng)材料中的雪崩倍增機(jī)制受到高驅(qū)動(dòng)電壓的限制，而基于二維材料的APD可以規(guī)避高驅(qū)動(dòng)電壓的制約。

此外，這項(xiàng)研究還介紹了高性能紅外APD的新材料和新架構(gòu)的最新進(jìn)展，包括創(chuàng)新型“第三波（third wave）”二維材料以及實(shí)現(xiàn)高性能APD的策略。

審核編輯：湯梓紅