近期維吉尼亞大學Joe C. Campbell團隊發表一項研究。
中紅外線 (2-5μm 波長) 光子學在感測、光譜、診斷與通訊應用顯示前景。這刺激對高性能中紅外光檢測器的需求。關鍵的量度指標是信噪比 (SNR),受窄帶隙吸收材料如 HgCdTe 的高暗電流限制,可檢測中紅外光。為抑制暗電流,這些材料需要低溫冷卻。雪崩光電二極體 (APD) 提供內置增益以放大弱信號,但也放大雜訊。此外,APD 中窄帶隙吸收器遭受過量暗電流降低 SNR。減少吸收器厚度可抑制暗電流但也降低量子效率與 SNR。如光子晶體或電漿結構可使薄層有光捕獲以增強吸收,但尚未在中紅外線APD 顯示。開發可抑制暗電流又維持效率的 APD 將提升中紅外線檢測 SNR。
設計的獨立吸收、電荷與倍增 (SACM) 雪崩光電二極體 (APD) 最大增益達到約 700 在 240K,2μm APD 中最高。過剩噪聲與 Si APD 相當。200 nm 超薄吸收層抑制暗電流密度約比最新 HgCdTe APD 低 3 個數量級以及比之前 AlInAsSb APD 低 2 個數量級。
加入金屬光柵光子捕獲結構使量子效率保持在超薄吸收器上維持高。測量外部量子效率達到 22-24%,比沒有光子捕獲的平面設備高超過 3 倍。這是中紅外線 APD 的首次光子捕獲示範。
APD 也顯示高速性能,3dB 頻寬約 7GHz 且增益頻寬積超過 200GHz。這些值超越之前 2μm APD 4 倍以上。
總體上,光子捕獲增強的 SACM APD 實現信噪比比之前 AlInAsSb APD 高約 70 倍以及比最新 HgCdTe APD 高 20 倍。這性能提升歸因於低過剩雜訊、超薄吸收器抑制暗電流,以及光子捕獲結構提供高量子效率的結合。這打破中紅外光檢測器暗電流與量子效率間的傳統權衡。
這項工作顯示光子捕獲可在中紅外線APD 實現低暗電流與高效率,突破關鍵性能權衡。此方法可拓展至較長波長 APD。進一步優化光子捕獲設計可使效率超過此 22-24%。使用半絕緣基板取代 GaSb 將提高頻寬超過此 7GHz。低過剩噪聲與暗電流可在更高溫度配合最新 HgCdTe APD,降低冷卻需求。這使高性能中紅外線檢測可不需低溫冷卻,擴展感測、光譜、診斷與通訊等領域的潛在應用。藉由結合低噪聲、暗電流與高速與效率,光子捕獲提供實現中紅外光子學前景的途徑。
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Fig. 3: Current–voltage, measured gain and excess noise measurements.
Fig. 5: EQE and bandwidth of the edge-coupled waveguide APD.