在近红外（SWIR）波段，高灵敏度高速雪崩二极管倍广泛应用于光电通信以及激光雷达等应用中。可目前以铟镓砷雪崩击穿二极管（InGaAs APD）为主导的近红外雪崩光电二极管（APD）始终受限于传统倍增区材料，磷化铟（InP）和铟铝砷（InAlAs）的随机碰撞电离噪声，从而导致该器件灵敏度大幅降低。多年来国内外研究学者都在积极寻找与InGaAs、InP光电平台工艺兼容，同时拥有与体硅材料的超低碰撞电离噪声性能类似的新型半导体材料。
创新型1550 nm雪崩光电二极管，助力激光雷达系统发展
据麦姆斯咨询报道，英国谢菲尔德大学（Prof. John David, 金晓博士）、美国俄亥俄州立大学（Prof. Sanjay Krishina）和美国弗吉尼亚大学的研究团队（Prof. Joe Campbell）近日联合宣布，他们首次成功开发出一种新的超高灵敏度1550 nm APD，这一突破性进展有望极大提升激光雷达系统和其他光电应用的性能。相关研究以“Very high gain and low noise GaAsSb/AlGaAsSb avalanche photodiodes for 1550nm detection at room temperature”为题，在SPIE OPTO上发表。
新材料带来关键优势
这项研究的亮点在于材料的创新使用。研究人员选择了GaAsSb作为吸收层，AlGaAsSb作为倍增层。这种设计与传统的InGaAs/InP不同，带来了显著优势：
GaAsSb吸收层：GaAsSb具有与InGaAs类似的吸收系数，从 GaAsSb吸收层 到AlGaAsSb（倍增层）的过渡更容易，减少了trap效应，提高了器件的速度和吸收效率。
AlGaAsSb倍增层：AlGaAsSb倍增层在性能上优于传统的InP和InAlAs倍增层。主要体现在室温下的高增益, 高带宽以及超低的过剩噪音。
具备卓越的性能指标
新APD在性能指标上也有显著提升：
超高增益：在室温下实现了278的超高增益，并且近期金晓博士通过对结构优化以及工艺的改善，最高增益提升到M=1212。
APD增益随电压变化以及不同电压下光谱测试结果
极低噪声：显示出极低的过剩噪声（F < 3，增益M = 70；F<4，增益 M=100）。
量子效率高：在最大增益下，量子效率高达5935.3%。
温度稳定性强：低温度击穿敏感度约为11.83 mV/K。
APD 器件过剩噪音与其他APD比较
广泛的应用前景
这种新型APD对激光雷达系统和光子应用具有重要意义：
提升信噪比：高增益和低噪声特性显著提高了信噪比，对于光子匮乏环境中的应用至关重要，如温室气体监测。
兼容性强：新的APD设计与当前的磷化铟（InP）光电子平台兼容，确保与现有商用通信系统的无缝集成。
操作效率高：能够在室温下高效运行，无需复杂的冷却机制，简化了各种实际应用中的部署。
结论
这种新型的1550 nm SACM APD的开发代表了该领域的重大突破，解决了传统APD设计中与过剩噪声和增益带宽产品相关的关键限制。这一创新有望推动激光雷达系统的能力提升，特别是在基于激光雷达系统的无人驾驶，以及自由空间通信中。
https://doi.org/10.1117/12.3011687
2. Liu, Y. et al. Very high gain and low noise GaAsSb/AlGaAsSb avalanche photodiodes for 1550nm detection at room temperature. Proc.SPIE vol. 12882 128820O (2024).
《单光子雪崩二极管（SPAD）专利态势分析-2023版》
《单光子雪崩二极管（SPAD）期刊文献检索与分析-2023版》
