光焱科技 胜焱电子科技 Enlitech
Previous slide
Next slide
Tell us more, we’ll
Enlighten Your Ideas!

Nat. Photonics:低噪声、高效率雪崩光电二极管藉由光子捕获实现

重点摘要

近期维吉尼亚大学Joe C. Campbell团队发表一项研究。

  • 光子捕获使薄吸收层实现高效率以抑制暗电流并提高信噪比。
  • 设计的 SACM APD 结构实现低噪声与暗电流密度比 HgCdTe APD 低 3 个数量级。
  • 测量有光子捕获量子效率为 22-24%,中红外线APD 的首次示范。
  • 增益在 240K 达到 700,比以往 2 μm APD 高 4 倍。频宽 7 GHz,增益频宽积大于 200 GHz。
  • 总体上信噪比比之前 AlInAsSb APD 高70 倍,比 HgCdTe APD 高20 倍。打破暗电流与效率间的权衡。

研究背景

中红外线(2-5μm 波长)光子学在传感、光谱、诊断与通信应用显示前景。这刺激对高性能中红外光检测器的需求。关键的量度指标是信噪比(SNR),受窄带隙吸收材料如HgCdTe 的高暗电流限制,可检测中红外光。为抑制暗电流,这些材料需要低温冷却。雪崩光电二极管(APD)提供内置增益以放大弱信号,但也放大噪声。此外,APD 中窄带隙吸收器遭受过量暗电流降低SNR。减少吸收器厚度可抑制暗电流但也降低量子效率与SNR。如光子晶体或等离子结构可使薄层有光捕获以增强吸收,但尚未在中红外线APD 显示。开发可抑制暗电流又维持效率的APD 将提升中红外线检测SNR。

研究结果

设计的独立吸收、电荷与倍增(SACM) 雪崩光电二极管(APD)最大增益达到约700 在240K,2μm APD 中最高。过剩噪声与Si APD 相当。200 nm 超薄吸收层抑制暗电流密度约比最新HgCdTe APD 低3 个数量级以及比之前AlInAsSb APD 低2 个数量级。

加入金属光栅光子捕获结构使量子效率保持在超薄吸收器上维持高。测量外部量子效率达到22-24%,比没有光子捕获的平面设备高超过3 倍。这是中红外线APD 的首次光子捕获示范。

APD 也显示高速性能,3dB 带宽约7GHz 且增益带宽积大于200GHz。这些值超越之前2μm APD 4 倍以上。

总体上,光子捕获增强的SACM APD 实现信噪比比之前AlInAsSb APD 高约70 倍以及比最新HgCdTe APD 高20 倍。这性能提升归因于低过剩噪声、超薄吸收器抑制暗电流,以及光子捕获结构提供高量子效率的结合。这打破中红外光检测器暗电流与量子效率间的传统权衡。

研究方法

  • 设计并MBE 生长与GaSb 基板格子匹配的独立吸收、电荷与倍增(SACM) APD 结构,使用AlInAsSb 数字合金材料。
  • 200 nm 厚AlInAsSb 吸收层抑制暗电流。加入金属光栅进行光子捕获。
  • 光刻与湿蚀刻制作圆形条状设备。利用电子束光刻与提升沉积加入金属光栅。
  • 渐进量测I-V 曲线、增益、过剩噪声、暗电流、量子效率与频率响应。与HgCdTe 与AlInAsSb APD 比较。
  • 模拟能带结构、电场与量子效率增强。

结论

这项工作显示光子捕获可在中红外线APD 实现低暗电流与高效率,突破关键性能权衡。此方法可拓展至较长波长APD。进一步优化光子捕获设计可使效率超过此22-24%。使用半绝缘基板取代GaSb 将提高带宽超过此7GHz。低过剩噪声与暗电流可在更高温度配合最新HgCdTe APD,降低冷却需求。这使高性能中红外线检测可不需低温冷却,扩展传感、光谱、诊断与通信等领域的潜在应用。借由结合低噪声、暗电流与高速与效率,光子捕获提供实现中红外线光子学前景的途径。

检测与分析光电器件(探测器或光伏器件)的光电转换过程具有重要意义。光焱科技针对光电感测器,提供先进、客制化的测量解决方案。我们产品资讯如下:

APD-QE 先进光感测器量子效率光学仪

  • 使用「照度模式」量测
  • 定光子数控制功能
  • 针对微米级光电侦测器量测设计
  • 搭配多种探针台及客制化载台
  • 一键式全光谱校正与智慧量测
  • 波长范围可扩充至3000nm

欢迎联系了解更多!

Fig. 3:图 3:电流-电压、测量增益和过量噪声测量。

Fig. 5:边缘耦合波导 APD 的 EQE 和带宽。

原文连结

Loading

发表回复