用于光通信和长距离激光雷达的具有极低多余噪声的新型光电二极管
发布时间：2023-02-10 11:02:13 阅读数： 632
本工作的过量噪声系数与具有Si、InGaAs/InP、AlInAsSb和AlGaAsSb（钻石和三角形向下）倍增区的APD的报道数据进行比较。APD125纳米的平均过量噪声系数是从八个半径为100微米的器件中获得的。APD62纳米的平均过量噪声系数的数据点是从六个半径为100微米的器件中获得的。SMC预测的过量噪声系数与雪崩增益的关系（短虚线）和麦金太尔固定k值的局部模型（0-0.4，步长为0.05，灰色实线）被包括在内进行比较。资料来源：《应用物理学通讯》（2023）。doi: 10.1063/5.0139495
光脉冲以闪光的形式出现，用于在高速光纤中传输信息，并越来越多地用于光探测和测距（LIDAR）的3维成像。这两种应用都要求光传感器或光电二极管能够检测非常低的光强度，低至几个光子，其中一个光子是光的量化能量单位。
最新发表在《应用物理快报》上的一篇论文《具有GaAsSb吸收区和AlGaAsSb雪崩区的极低过剩噪声雪崩光电二极管》，详细介绍了谢菲尔德的一个研究小组的发现，该研究小组有能力将其输入的单个电子转化为其输出的级联电子。
这种倍增过程通常被称为雪崩击穿，而包含这种过程的光电二极管被称为雪崩光电二极管（APD）。虽然应用反向电压，雪崩光电二极管（通常称为APD）具有内部增益，这意味着与PIN-光电二极管相比，它们通常具有更高的信噪比。
然而，该团队新设计的光电二极管表现出较高的倍增系数，而增加的噪声却非常小。在倍增系数为20的情况下，测得的噪声系数至少比商业雪崩光电二极管低三倍。在这种情况下，较少的噪声意味着在识别信号时有较少的干扰，因此光电二极管由于提高了灵敏度而更加有用。
在发表的论文中，由系主任陈志兴教授领导的电子和电气工程系的研究小组证明，他们可以将一种新的半导体合金与更宽带隙半导体AlGaAsSb倍增区结合起来。这种新的半导体合金以GaAsSb吸收区为基础，在红外波长（高达1700纳米）具有出色的探测效率。
这项研究是红外APD的一个重大突破，因为基于InP的商业APD自20世纪90年代以来已经达到了其极限。谭教授领导的团队首次推出了基于AlGaAsSb的APD，并在2012年展示了其低噪声性能，此后又利用一些设计不断提高性能。这些晶圆是由位于谢菲尔德的EPSRC国家外延设施种植的。
在这项工作中，晶圆由Tarick Blain转化为器件，而Ye Cao进行了测量和建模。Jonathan Taylor Mew、Longyan Li和Jo Shien Ng在建模、测量和分析方面提供了额外的支持，这说明了有效的团队合作对谢菲尔德大学电子和电气工程系开展的研究的重要贡献。
谈到这项研究和这篇在红外雪崩光电二极管领域的开创性文章的发表，陈志兴教授说："红外APD长期以来的局限性之一是乘法过程中相对较高的附加噪声，限制了最大乘法系数。这反过来又使红外APD无法达到既定模型所预测的性能极限。
"我们的突破性成果，超额噪声系数为2.48，接近理论下限2，这为实现极低噪声的APD提供了途径，我相信它可以在光通信和长距离激光雷达方面产生阶梯式的变化。"
更多信息。Ye Cao等，具有GaAsSb吸收区和AlGaAsSb雪崩区的极低过剩噪声雪崩光电二极管，《应用物理学通讯》（2023）。doi: 10.1063/5.0139495
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