能够探测1.7 μm至2.7 μm的扩展短波红外（eSWIR）光电探测器因其在遥感监测、激光雷达和自由空间通信等领域有着独特优势而备受关注。然而，如碲镉汞（HgCdTe）和InAs材料等传统红外探测器大多需要复杂的低温制冷来降低暗电流噪声，这些红外探测器受限于材料的光电特性，无法在室温下实现高性能探测。因此，开发一种能在室温或者200 K以上条件下高效工作的eSWIR探测器，成为该领域的重要课题。
据麦姆斯咨询报道，近日，英国谢菲尔德大学（University of Sheffield）金晓博士团队成功开发出一款可以在室温下使用的2.75 μm截止波长的雪崩光电二极管（APD），大幅拓展了eSWIR探测器的应用潜力，为光电探测领域注入了新的活力，是一项具有里程碑意义的研究。这项研究通过创新性材料选择和结构设计，解决了传统eSWIR探测器的量子效率和噪声方面的瓶颈。相关研究成果以“High-performance room temperature 2.75 µm cutoff In0.22Ga0.78As0.19Sb0.81/Al0.9Ga0.1As0.08Sb0.92 avalanche photodiode”为题，发表在Optica期刊上。
研究团队首次将窄带隙材料In0.22Ga0.79As0.19Sb0.81作为吸收层，与宽带隙材料Al0.9Ga0.1As0.08Sb0.92的倍增层相结合，生长在GaSb衬底上，形成全新的吸收-倍增分离（SACM）结构（如图1）。这种材料组合不仅将探测器波长范围拓展至2.75 μm，还实现了高倍增、低倍增噪声的性能。
图1 a）SACM APD结构；b）SACM APD X-ray结果；c）SACM APD 带隙能量图。
如图2所示，研究团队首先对倍增层材料AlGaAsSb进行了系统学习，提取了电子和空穴的碰撞电离系数。从而发现，此合金的碰撞电离系数比例（k）约等于0.2，且其绝对值大于传统InP、InAlAs等倍增层材料的4-30倍。这为后续设计SACM APD提供了必要信息。
图2 a) AlGaAsSb p-i-n 暗电流和增益的结果；b）AlGaAsSb p-i-n M-1的结果；c) AlGaAsSb p-i-n碰撞电离系数；d）P1和N1的不同电厂下增益比变化。
经过对不同过渡层的优化，研究人员发现通过三层过渡层的设计，载流子不会遇到较多阻碍，从而最大程度的优化了载流子的扩散长度以及量子探测效率。因为，在SACM APD设计中，研究人员使用了合金较大碰撞电离系数的优势的同时，也用了非耗尽吸收层的设计，成功将器件的击穿电压降低至18.9 V，在室温下即可稳定工作。这一突破大幅减少了对昂贵制冷设备的依赖，提升了探测器的适用性和经济性。同时也与后期大面积阵列所需要的读出集成电路（ROIC）电路相匹配。
图3 a）SACM APD暗电流结果；b）不同波长以及光功率下光电流和增益变化；c）过剩噪音结果；d）不同电压下光谱变化结果。
SACM APD器件的优异性能表现：
- 高外量子效率：在2 μm波长处，穿通电压下的量子效率高达50%以上；在更高电压下，倍增后的量子效率可超过2000%；
- 低噪声特性：过剩噪声因子仅为F=4.5 @ M=20，显著优于传统InP和InAlAs基探测器；
- 更低的噪声等效功率（NEP）：该器件的NEP值可降至1.69 × 10⁻¹²W/√Hz，比现有T2SL/InP APD提高了约2倍。
这项技术为多个领域带来深远影响，有着广泛的应用前景：
- 远程通信和激光雷达：新型APD可显著提高光接收器的信噪比（SNR），支持更高的数据传输速率与更远的通信距离。
- 环境监测与遥感：高灵敏度的eSWIR探测器能更准确地识别气体成分、追踪环境变化。
- 军事与安防：在烟雾、雾霾等恶劣条件下，该探测器表现出卓越的抗干扰能力和目标识别能力。
研究团队表示，通过进一步优化表面钝化工艺、引入抗反射涂层，以及提升材料生长质量，探测器的性能还有巨大的提升空间。他们计划在下一阶段研究中，将这项技术应用于焦平面阵列（FPA）以推动其商业化进程。
https://doi.org/10.1364/OPTICA.539859
《单光子雪崩二极管（SPAD）专利态势分析-2023版》
