了解并减轻InGaAs

　　InGaAs

　　InGaAs APD是一种光电探测器，它利用InGaAs半导体材料的特性来检测光，尤其是红外光谱。APD设计用于将光转换为电信号，并能通过一种称为雪崩倍增的内部增益机制放大微弱的光信号。这使得APD具有高响应度，适用于需要检测低强度光的应用。

　　InGaAs APD有多层结构(图 1)，通常包括一个InGaAs吸收层和一个不同材料(如AlGaAsSb)制成的倍增层，后者与InP衬底晶格匹配。吸收层吸收进入的光子，产生电子-空穴对。

　　图 1. InGaAs APD 工艺结构

　　然后，这些载流子被倍增层中的电场加速，导致载流子进一步级联产生，这一过程被称为雪崩倍增。这会使初始信号显著放大，让APD能够检测到非常弱的光信号。

　　InGaAs APD能够检测到低强度的光，是因为其内部增益机制放大了光子产生的初始信号。InGaAs APD对红外光特别敏感，通常在900nm到1700nm之间，因此非常适合1550nm左右的红外应用，这是许多应用中常用的波长。

　　红外系统中的应用

　　光通信

　　InGaAs APD广泛应用于光通信系统，尤其是长距离光纤网络。它们被用作接收器，以检测通过光纤传输的光信号。APD的高响应度使其能够检测到长距离的微弱信号，因此对高效数据传输至关重要。

　　LiDAR

　　LiDAR(光探测和测距)系统利用激光脉冲探测反射光来测量距离(图 2)。InGaAs APD能够检测远处物体反射的低强度光，因此在这些系统中被用作传感器。它们拥有极短的响应时间，可实现精确的距离测量，这对自动驾驶汽车和地形测绘等应用至关重要。

　　图 2. 激光测距仪和其他飞行时间应用使用InGaAs APD作为红外传感器，通常波长为1550nm。

　　成像和光谱学

　　InGaAs APD还可用于成像系统，特别是红外成像。它们可用于检测物体的热辐射，这在夜视、监控和环境监测等应用中非常有价值。在光谱学中，InGaAs APD可用于检测特定波长的光，帮助分析材料成分和化学性质。

　　量子密钥分发

　　在量子密钥分发(QKD)系统中，通过光通道传输量子比特可实现安全通信(图 3)。InGaAs APD在检测QKD中用作量子比特的单光子方面发挥着重要作用。它们的高响应度和低噪声特性使其成为确保量子通信系统安全和可靠的理想选择。

　　图 3. 利用 APD传感器通过红外链路安全传输加密密钥。

　　优化 InGaAs APD

　　除了高响应度之外，InGaAs APD还具有良好的温度稳定性，这对于在各种环境条件下保持性能至关重要。这种稳定性通常是通过优化APD结构中使用的材料实现的，例如加入Sb(Sb)合金。

　　添加Sb合金可以最大限度地减少过量噪声，过量噪声是使用雪崩倍增技术的光电探测器中常见的问题。通过选择具有不同电离系数的材料可以显著降低过量噪声系数，从而实现更好的信号检测。

　　同样的技术还能使APD从过载条件下快速恢复，在过载条件下探测器会暴露在高强度的光线下。这种快速恢复在激光雷达等应用中至关重要，因为在这些应用中探测器可能会遇到附近物体的强烈反射。

　　温度对APD性能的影响

　　温度会影响APD的暗电流和击穿电压等参数。暗电流是在没有光的情况下流过光电二极管的电流，高温会增强载流子的生成，所以暗电流会随温度升高而增大。例如在InGaAs/AlGaAsSb APD中，随着温度的升高，暗电流会从0℃的2.7nA增加到85℃的211nA(电压为-56V)。这种问题是APD面临的共同挑战，因为较高的暗电流会降低信噪比。

　　在最近的一次评估中，测得工作电压的温度系数(表示固定增益所需的电压随温度变化的程度)从10倍增益时的19.2mV/℃增加到200倍增益时的22.7mV/℃。这一系数明显低于市场上常见的其他InGaAs APD，后者的系数通常高出3到7倍，这表明Sb增强器件具有更好的温度稳定性。

　　噪声等效功率 (NEP)

　　NEP是评估光电检测模块灵敏度的重要指标，它表示产生等于探测器噪声水平的信号所需的光功率。对InGaAs/AlGaAsSb APD的NEP在不同温度下进行了测量，结果表明其响应度很高。

　　在室温，130倍增益时，APD的NEP值为29 fW/Hz1/2.在0℃，200倍增益时，该值降至18 fW/Hz1/2.表明在180MHz带宽下能够检测到10个光子。在85℃，60倍增益时，NEP值为77 fW/Hz1/2.表明APD能够在没有主动冷却系统的情况下依旧能保持高灵敏度。

　　用Sb

　　将 Sb 掺入 APD 结构中可显著提高其温度稳定性(图 4)。基于 Sb 的材料，如 AlGaAsSb，具有高度不同的电子和空穴碰撞电离系数，因此过量噪声因子较低。这种差异允许在较宽的温度范围内更稳定地运行，从而减少对主动温度控制机制的需求。

　　图 4. 在InGaAs APD制造工艺中添加Sb可降低雪崩倍增时的噪声，提高APD的灵敏度和温度稳定性。

　　雪崩击穿的低温度依赖性归因于先进的无序合金材料，这使得与温度无关的合金散射比与温度有关的声子散射更有优势。这一特性使 APD 能够在 0℃ 至 85℃ 温度范围内有效工作。

　　Sb增强材料系统通过实现不同的电离系数来降低与雪崩倍增相关的噪声，从而降低过量噪声系数。这使得其响应度比以前的元件提高了12倍，从而能够在弱光条件下更清晰地检测信号。低过量噪声和高增益的结合使这些APD能更好地用在需要高灵敏度和精确检测能力的应用。

　　Sb

　　开发含Sb的InGaAs/AlGaAsSb APD是光电探测领域的一大进步。这些APD在很宽的温度范围内表现出低噪声、高增益以及稳定的性能，适用于要求苛刻的应用，如激光雷达和量子密钥分配。

　　在APD结构中添加Sb可降低过量噪声并提高温度稳定性，从而为各种光学系统中的高灵敏度光电检测提供了一种前景广阔的解决方案。本研究在设计具有更高温度稳定性和更高性能指标的APD方面迈出了一大步。

　　在InGaAs APD中添加Sb，该方案解决了与温度、灵敏度和噪声相关的关键难题，为更高效、更可靠的光电检测技术铺平了道路。这一改进不仅提高了APD的工作稳定性，还扩大了其应用范围，尤其是在温度条件变化的环境中。随着技术的不断发展，Sb增强APD的应用可能更加广泛，它为光学系统的创新提供了新的可能性。

　　总部位于英国的Phlux Technology公司已开发出一系列基于上述Sb增强化合物半导体制造工艺的无噪声InGaAs APD。它们可以直接替换部分现有产品，在上述应用和其他应用中实现直接的性能优势。