具有组分梯度层的高性能长波长红外雪崩光电二极管

《ACS Photonics》：High-Performance Long-Wavelength Infrared Avalanche Photodiode with Composition Gradient Layers

针对窄带隙器件隧道效应和表面漏电流问题，提出多层梯度成分LWIR APD结构，在80K时实现7.16×10?7A/cm2 unity-gain暗电流及78%峰值量子效率，160K时仍保持低暗电流和合理增益，有效抑制隧道电流与漏电流，优化噪声性能。

　　

长波红外（LWIR）雪崩光电二极管（APD）由于具有乘法增益，能够进一步提高响应灵敏度，因此成为远距离检测和低温物体成像的理想选择。然而，在窄带隙器件中会出现隧穿现象，而表面漏电流会显著影响器件的实际性能。在这项研究中，我们提出了一种新型的多层复合梯度结构LWIR APD器件，其截止波长为8 μm，旨在解决这些问题。该设计表现出优异的雪崩效应，有效降低了表面漏电流并抑制了隧穿电流。在80 K的温度下，该器件的单位增益暗电流为7.16 × 10^–7 A/cm²，在6.31 μm波长处的外部量子效率达到峰值78%（3.93 A/W）。此外，该APD的增益为280，超额噪声因子仅为1.1。在增益为280时，器件的增益归一化暗电流密度为0.09 A/cm²。当温度升高到160 K时，暗电流仍保持在较低水平（8 × 10^–2 A/cm²），增益为37，超额噪声因子小于1.28。因此，这种复合梯度结构使得该LWIR APD在暗电流、增益和超额噪声方面实现了业界领先的性能，使其在弱信号检测、成像和自由空间光通信应用中具有巨大潜力。