InGaAs（铟镓砷）雪崩光电二极管（APD）是一种利用InGaAs半导体材料特性的光电探测器，主要用于检测红外光谱中的光信号。APD通过一种称为雪崩倍增的内部增益机制将光信号转换为电信号，从而放大微弱的光信号。这使得它们具有高灵敏度，适用于需要检测低光强的场合。
InGaAs APD由多层结构组成（见图1），通常包括一个InGaAs吸收层和一个由不同材料（如AlGaAsSb）制成的倍增层，该材料与InP衬底晶格匹配。吸收层是光子被吸收并产生电子-空穴对的地方。InGaAs APD的工艺结构
图1. InGaAs APD的工艺结构
这些载流子随后在倍增层中被电场加速，引发进一步的载流子产生级联反应，即雪崩倍增过程。这一过程显著放大了初始信号，使得APD能够检测到非常低的光强。InGaAs APD能够检测低光强，是因为其内部增益机制放大了入射光子产生的初始信号。雪崩倍增过程发生得非常迅速，从而实现了快速检测。InGaAs APD对红外光特别敏感，通常在900纳米到1700纳米的范围内，这使得它们非常适合用于1550纳米左右的红外应用，这一波长在许多应用中被广泛使用。
红外系统中的应用
光通信
InGaAs APD在光通信系统中得到了广泛应用，特别是在长途光纤网络中。它们被用作接收器，用于检测通过光纤传输的光信号。APD的高灵敏度使其能够检测到长距离传输后的微弱信号，这对于高效的数据传输至关重要。
激光雷达与测距
激光雷达（LiDAR，光探测与测距）系统通过发射激光脉冲并检测反射光来测量距离（见图2）。InGaAs APD被用作这些系统中的传感器，因为它们能够检测从远处物体反射回来的低光强信号。其快速响应时间使得精确的距离测量成为可能，这对于自动驾驶汽车和地形测绘等应用至关重要。
图2. 激光测距仪及其他飞行时间应用使用InGaAs APD作为红外传感器，通常工作在1550纳米波长。
成像与光谱学
InGaAs APD还广泛应用于成像系统，特别是红外成像领域。它们能够检测物体发出的热辐射，这对于夜视、监视和环境监测等应用具有重要价值。在光谱学中，InGaAs APD用于检测特定波长的光，从而助力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，通过光学信道传输量子比特（qubits）来实现安全通信（见图3）。InGaAs APD在其中发挥关键作用，用于检测作为量子比特的单光子。其高灵敏度和低噪声特性使其成为确保量子通信系统安全性和可靠性的理想选择。
图3. 利用APD传感器通过红外链路安全传输密码学密钥。
优化InGaAs APD在红外系统中的性能
除了高灵敏度外，InGaAs APD还可以通过优化其结构材料（如掺入锑（Sb）合金）来实现良好的温度稳定性。这种稳定性对于确保器件在不同环境条件下的性能至关重要。掺入Sb合金可以显著降低过量噪声，这是使用雪崩倍增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，过量噪声因子可以显著降低，从而实现更好的信号检测。此外，这种技术还使APD能够快速从过载状态恢复，这对于激光雷达等应用至关重要，因为探测器可能会遇到来自附近物体的强烈反射。
温度对雪崩光电二极管性能的影响
APD的性能受温度影响，这会影响诸如暗电流和击穿电压等参数。暗电流是指在无光照时通过光电二极管的电流，由于载流子的热生成增强，暗电流会随温度升高而增加。例如，在InGaAs/AlGaAsSb APD中，暗电流在-56伏电压下从0℃时的2.7纳安增加到85℃时的211纳安。这种增加是APD面临的常见挑战，因为较高的暗电流会降低信噪比。在最近的一项评估中，工作电压的温度系数（表示在固定增益下所需电压随温度的变化量）从增益为10时的19.2毫伏/℃增加到增益为200时的22.7毫伏/℃。这一系数显著低于其他商业InGaAs APD，后者的系数通常高出3到7倍，表明掺Sb的器件具有更好的温度稳定。
噪声等效功率（NEP）
噪声等效功率（NEP）是评估光电探测模块灵敏度的关键指标。它表示产生与探测器噪声水平相等信号所需的光功率。对于InGaAs/AlGaAsSb雪崩光电二极管（APD），在不同温度下测量了NEP，展示了其高灵敏度。在室温下，APD在增益为130时实现了29飞瓦/赫兹平方根（fW/Hz⁰·⁵）的NEP（fW/Hz表示每赫兹的飞瓦）。该值在0℃时下降至18飞瓦/赫兹平方根，增益为200，表明其能够在180兆赫带宽下检测到少至10个光子。在85℃时，NEP增加到77飞瓦/赫兹平方根，增益为60，这表明APD能够在没有主动冷却系统的情况下保持高灵敏度。
锑（Sb）带来的改进
将锑（Sb）掺入APD结构中，显著增强了其温度稳定性（见图4）。基于Sb的材料，如AlGaAsSb，具有高度不同的电子和空穴雪崩电离系数，这导致较低的过量噪声因子。这种差异使得APD能够在更宽的温度范围内更稳定地运行，从而减少了对主动温度控制机制的需求。
图4. 锑（Sb）掺入对APD温度稳定性的影响示意图
崩击穿的弱温度依赖性
雪崩击穿的弱温度依赖性归因于高合金无序势能，这使得与温度无关的合金散射在与温度相关的声子散射之上占据主导地位。这一特性使得APD能够在0℃到85℃的温度范围内有效运行。
锑增强材料系统的优点
通过确保不同的电离系数，锑（Sb）增强的材料系统降低了与雪崩倍增相关的噪声，从而降低了过量噪声因子。这使得灵敏度比以前的组件提高了12倍，能够在低光照条件下更清晰地检测信号。低过量噪声和高增益的结合，使得这些APD适用于需要高灵敏度和精确检测能力的应用。
锑驱动的优势与进步
开发掺锑的InGaAs/AlGaAsSb APD是光电探测领域的一项重大进步。这些APD表现出低噪声、高增益，并且在宽温度范围内具有强大的性能，使其适用于激光雷达和量子密钥分发等要求苛刻的应用。在APD结构中加入Sb可以减少过量噪声并增强温度性能，为各种光学系统中的高灵敏度光电探测提供了一个有前景的解决方案。本研究中报告的进展表明，在设计具有改进温度稳定性和性能指标的APD方面迈出了重要一步。
总结
将Sb集成到InGaAs APD中解决了与温度敏感性和噪声相关的关键挑战，为更高效、更可靠的光电探测技术铺平了道路。这一改进不仅增强了APD的操作稳定性，还扩大了它们的应用范围，特别是在温度条件变化的环境中。随着技术的不断发展，Sb增强型APD的作用可能会扩大，为光学系统中的创新提供新的可能性。
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