8/17/2021，光纖在線訊，英國謝菲爾德大學(xué)劉宇宸博士供稿。該校電子電氣學(xué)院先進(jìn)探測器研發(fā)團(tuán)隊在III-V族砷化鎵雪崩擊穿二極管探測器（APD）的低隨機(jī)碰撞電離噪聲的研究方面取得突破。 此項研究發(fā)現(xiàn)在砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體材料中加入少量的鉍元素（Bi），能有效增加砷化鎵半導(dǎo)體材料價帶的自旋軌道分裂能（split-off orbit），從而大幅度降低空穴碰撞電離系數(shù)，實現(xiàn)了低過度噪聲砷化鎵基 APD, 此種新型技術(shù)有望對現(xiàn)有APD技術(shù)實現(xiàn)革命性進(jìn)步。國際權(quán)威期刊《Nature Communications》 (《自然-通信》)已發(fā)表其相關(guān)成果1。

APD因其高靈敏度已被廣泛應(yīng)用于光通信和激光雷達(dá)等熱門應(yīng)用領(lǐng)域中。目前針對APD的主要挑戰(zhàn)是尋找一種可以提供高增益和低碰撞電離噪聲的雪崩倍增區(qū)的材料(如傳統(tǒng)體硅（Silicon）材料) ，且同時具備探測傳統(tǒng)光通信波段的能力。然而現(xiàn)有商用鍺（Geranium）或銦鎵砷/磷化銦（InGaAs/InP）光通信APD的倍增區(qū)材料都具有非常相似的電子和空穴電離系數(shù)，從而產(chǎn)生較大的碰撞電離噪聲限制了器件靈敏度和傳輸速度。
英國謝菲爾德大學(xué)的研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)在砷化鎵半導(dǎo)體材料中加入少量的鉍元素將極大地降低其材料的空穴電離系數(shù)，同時保持電子的電離系數(shù)幾乎不變, 從而實現(xiàn)了砷化鎵基APD優(yōu)異的低碰撞電離噪聲特性, 同時也提高砷化鎵基探測器的探測波長范圍, 使之符合未來市場對近紅外APD要求。這也是首次使用低合金方法改變了砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)，并通過能帶工程調(diào)控改變控制了半導(dǎo)體材料的電離系數(shù)(參見，圖1)。此項研究為開發(fā)其他III-V族半導(dǎo)體低碰撞電離噪聲APD提供了新的思路和方法，目前該團(tuán)隊正在驗證其他III-V族材料中加入少量鉍元素后是否可實現(xiàn)類似物理效應(yīng)，從而通過半導(dǎo)體材料能帶工程調(diào)控, 以實現(xiàn)低碰撞電離APD優(yōu)異器件特性的目標(biāo)。
 
圖1，加入4%鉍后的砷化鎵能帶變化(來源：《自然-通信》)。

1Y. Liu, X. Yi, N. Bailey, Z. Zhou, T. Rockett, L. Lim, C. Tan. R. Richards & J. David. “Valence band engineering of GaAsBi for low noise avalanche photodiodes” Nature communication, 2021. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-24966-0