傳感和成像應用需要工作在2μm波段的高靈敏度光電探測器，但暗電流密度（Jdark）難以控制，嚴重阻礙了前沿器件的研發(fā)進展。中紅外（2~5?μm）探測所用窄帶隙材料受到載流子復合和能帶間隧道效應的困擾，因此中紅外探測器只能在低溫下工作。HgCdTe（碲鎘汞）是目前最常用的材料系統(tǒng)，工作于溫度為125K時，增益為10，Jdark為3?×?10??A?cm?2。

美國弗吉尼亞大學和德克薩斯大學奧斯汀分校的電氣與計算機工程師研發(fā)出性能創(chuàng)歷史記錄的雪崩光電二極管（APD），有望為下一代夜視成像和激光雷達（LiDAR）光電探測器帶來變革性技術(shù)。對激光雷達來講，該團隊提供的低噪聲、2μm波長的APD可在滿足人眼安全的前提下接收高功率激光。

美國弗吉尼亞大學和德克薩斯大學奧斯汀分校研發(fā)的APD

這項研究成果發(fā)表于2020年5月18日的《自然光子學》（Nature Photonics），論文題目為《用于2μm中紅外探測應用的低噪聲、高溫AlInAsSb/GaSb雪崩光電二極管》（Low-noise high-temperature AlInAsSb/GaSb avalanche photodiodes for 2-μm applications）。能夠刊載于該月刊的論文均是關于光源、光束操縱和光學探測研究的頂尖成果。在論文中，作者介紹了用于2μm中紅外探測APD的詳細信息和試驗結(jié)果，在工作溫度為200~220?K時，與現(xiàn)有器件低溫工作時的Jdark相當，并證明了過噪聲非常低（k?≈0.01），在室溫下增益超過了100。

這項突破性技術(shù)歸功于弗吉尼亞大學電氣和計算機工程學院Lucien Carr III教授Joe C. Campbell和德克薩斯大學奧斯汀分校Cullen Trust教授Seth R. Bank的長期合作。師從Campbell教授的2020屆博士生Andrew H.Jones和師從Bank教授的博士生Stephen D. March也參與了該項研究。該小組由美國國防高級研究計劃局（DARPA）和美國陸軍研究辦公室資助。

該團隊采用了Bank所在先進半導體外延實驗室研發(fā)的數(shù)字合金，其光學性能和電氣性能都非常優(yōu)秀。Bank采用分子束外延技術(shù)生長出由鋁（AI）、銦（In）、砷（As）和銻（Sb）組成的合金。該合金兼具長波長高靈敏度、超低噪聲，并具有現(xiàn)有低噪聲APD材料無法實現(xiàn)的低暗電流設計靈活性。

Bank解釋：“我們能夠?qū)⒕w生長過程控制到原子級，這樣就實現(xiàn)了無法自然合成的晶體，設計時也考慮到其需要結(jié)合有效光電探測器的基本材料特性。”

該團隊提供的APD是面向激光雷達的高靈敏度、緊湊型接收器的理想解決方案。許多激光雷達應用，例如機器人、自動駕駛汽車、廣域監(jiān)視和地形繪制，均需要高分辨率的傳感器，足以探測到物體反射回來時已大幅衰減的光信號。為獲得更強的返回光信號，就需要更高的激光功率，這樣會增加眼睛受傷風險，因此人眼安全問題也限制了下一代激光雷達系統(tǒng)的采用。

“對激光雷達來講，2μm中紅外波段是理想的選擇，既滿足人眼安全要求，又可以被探測器接收。可以想象，我們的APD將成為影響諸多高靈敏度探測器的關鍵技術(shù)。”

目前這項工作的晶圓代工工作正在英國IQE公司轉(zhuǎn)移，而Lockheed Martin公司在進行集成讀出電路的光電二極管陣列開發(fā)工作。未來，兩所大學的合作將集中于實現(xiàn)室溫下的低噪聲工作，將工作波長進一步擴展，并將靈敏度提高到單光子水平。