英国谢菲尔德大学成功研制出新型低噪声近红外雪崩击穿二极管探测器

8/17/2021，光纤在线讯，英国谢菲尔德大学刘宇宸博士供稿。该校电子电气学院先进探测器研发团队在III-V族砷化镓雪崩击穿二极管探测器（APD）的低随机碰撞电离噪声的研究方面取得突破。 此项研究发现在砷化镓（GaAs）半导体材料中加入少量的铋元素（Bi），能有效增加砷化镓半导体材料价带的自旋轨道分裂能（split-off orbit），从而大幅度降低空穴碰撞电离系数，实现了低过度噪声砷化镓基 APD, 此种新型技术有望对现有APD技术实现革命性进步。国际权威期刊《Nature Communications》 (《自然-通信》)已发表其相关成果1。

APD因其高灵敏度已被广泛应用于光通信和激光雷达等热门应用领域中。目前针对APD的主要挑战是寻找一种可以提供高增益和低碰撞电离噪声的雪崩倍增区的材料(如传统体硅（Silicon）材料) ，且同时具备探测传统光通信波段的能力。然而现有商用锗（Geranium）或铟镓砷/磷化铟（InGaAs/InP）光通信APD的倍增区材料都具有非常相似的电子和空穴电离系数，从而产生较大的碰撞电离噪声限制了器件灵敏度和传输速度。
英国谢菲尔德大学的研究团队发现在砷化镓半导体材料中加入少量的铋元素将极大地降低其材料的空穴电离系数，同时保持电子的电离系数几乎不变, 从而实现了砷化镓基APD优异的低碰撞电离噪声特性, 同时也提高砷化镓基探测器的探测波长范围, 使之符合未来市场对近红外APD要求。这也是首次使用低合金方法改变了砷化镓的能带结构，并通过能带工程调控改变控制了半导体材料的电离系数(参见，图1)。此项研究为开发其他III-V族半导体低碰撞电离噪声APD提供了新的思路和方法，目前该团队正在验证其他III-V族材料中加入少量铋元素后是否可实现类似物理效应，从而通过半导体材料能带工程调控, 以实现低碰撞电离APD优异器件特性的目标。
 
图1，加入4%铋后的砷化镓能带变化(来源：《自然-通信》)。

1Y. Liu, X. Yi, N. Bailey, Z. Zhou, T. Rockett, L. Lim, C. Tan. R. Richards & J. David. “Valence band engineering of GaAsBi for low noise avalanche photodiodes” Nature communication, 2021. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-24966-0