傳感和成像應(yīng)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(yán)重阻礙了前沿器件的研發(fā)進(jìn)展。中紅外（2~5?μm）探測所用窄帶隙材料受到載流子復(fù)合和能帶間隧道效應(yīng)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(shí)，增益為10，Jdark為3?×?10??A?cm?2。

美國弗吉尼亞大學(xué)和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的電氣與計(jì)算機(jī)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(dá)（LiDAR）光電探測器帶來變革性技術(shù)。對激光雷達(dá)來講，該團(tuán)隊(duì)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(xué)和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校研發(fā)的APD

這項(xiàng)研究成果發(fā)表于2020年5月18日的《自然光子學(xué)》（Nature Photonics），論文題目為《用于2μm中紅外探測應(yīng)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(guān)于光源、光束操縱和光學(xué)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(xì)信息和試驗(yàn)結(jié)果，在工作溫度為200~220?K時(shí)，與現(xiàn)有器件低溫工作時(shí)的Jdark相當(dāng)，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(xiàng)突破性技術(shù)歸功于弗吉尼亞大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程學(xué)院Lucien Carr III教授Joe C. Campbell和德克薩斯大學(xué)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(xiàng)研究。該小組由美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）和美國陸軍研究辦公室資助。

該團(tuán)隊(duì)采用了Bank所在先進(jìn)半導(dǎo)體外延實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的數(shù)字合金，其光學(xué)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(shí)現(xiàn)的低暗電流設(shè)計(jì)靈活性。

Bank解釋：“我們能夠?qū)⒕w生長過程控制到原子級(jí)，這樣就實(shí)現(xiàn)了無法自然合成的晶體，設(shè)計(jì)時(shí)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(tuán)隊(duì)提供的APD是面向激光雷達(dá)的高靈敏度、緊湊型接收器的理想解決方案。許多激光雷達(dá)應(yīng)用，例如機(jī)器人、自動(dòng)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(shí)已大幅衰減的光信號(hào)。為獲得更強(qiáng)的返回光信號(hào)，就需要更高的激光功率，這樣會(huì)增加眼睛受傷風(fēng)險(xiǎn)，因此人眼安全問題也限制了下一代激光雷達(dá)系統(tǒng)的采用。

“對激光雷達(dá)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?？梢韵胂?，我們的APD將成為影響諸多高靈敏度探測器的關(guān)鍵技術(shù)?！?

目前這項(xiàng)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(jìn)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(xué)的合作將集中于實(shí)現(xiàn)室溫下的低噪聲工作，將工作波長進(jìn)一步擴(kuò)展，并將靈敏度提高到單光子水平。