光电探测器：添加铋的好处

在砷化镓中加入少量铋可以降低雪崩光电二极管的噪声

作者：Robert Richards，谢菲尔德大学

为光电探测器的噪声设定一个新的低点远不止是炫耀那么简单。其成功有助于许多重要的应用。以运行在以1300 nm和1550 nm为中心的O和C频段，并包含间歇信号增强器的光网络为例，通过减少发射器的功率或减少放大器的数量，大幅降低部署在这些网络中的探测器中的噪声，可以提高数据传输的效率。另一个例子是激光雷达（lidar），这是一种用于自动驾驶车辆和地理空间测绘的技术——对于这两种应用，降低探测器中的噪声可以实现更快、更精确的测量。

当需要高速和高灵敏度时，标准的光电探测器可能无法满足要求。这些器件只能从入射光中产生适度的信号，从而限制了其信噪比，尤其是在测量时间有限的情况下，如高速通信或激光雷达。虽然外部放大器可以增加信号，但噪声也会被放大，从而影响提高信噪比的努力。

确保高灵敏度和高速度的更好选择是雪崩光电二极管。与传统探测器一样，它吸收的每个光子都会激发一个电子到导带，在价带上留下一个空穴——而内部电场会将这些载流子拉向相反的方向。然而，在雪崩光电二极管中，其电场远强于标准光电探测器中的电场，通过一种称为碰撞电离的过程，使载流子获得足够的能量来激发额外的电子-空穴对。这些新电离的电子和空穴本身被加速，最终导致大量电子和空穴产生电流，有效地放大了原始信号。

对于1000 nm以下的大多数检测，由硅制成的现有的雪崩光电二极管是成熟的商业产品。硅是制造这类探测器的近乎理想的材料，因为其技术成熟，而且电子比空穴更容易引起碰撞电离。这反映在电子和空穴电离系数的比值α和β中，这些值非常大。由于这一点，因电离过程的随机性而产生的“多余”噪声大大降低了。

不幸的是，硅光电二极管的检测特性远不理想。由于这种材料的间接带隙，需要厚厚的一层来确保光子的充分吸收。对于硅吸收末端1 μm左右的检测来说，这一点尤其明显，为了实现合理的量子效率，探测器必须非常厚——这一要求会阻止高速运行。由于这个限制，硅雪崩光电二极管不适合用于光通信网络和一些激光雷达系统。

红外线的选择包括HgCdTe（碲镉汞）和InAs（砷化铟）。两者的α/β比几乎无限大，但由于它们的带隙很小，需要冷却以减少暗电流。另一种选择是GaAs（砷化镓）及其相关合金。不幸的是，这种材料体系的α/β比近乎一样，导致了大量噪声。然而，我们在谢菲尔德大学的团队已经证明，通过向这种材料体系中添加少量铋，可能会克服这一困难，为一种新型、高度灵活的极低噪声雪崩光电探测器系列打开了大门。

铋的好处

在GaAs中加入铋对能带结构有显著影响（见图1）。当添加铋时，它会取代砷，并引入与价带边缘相互作用的电子态。这会导致价带边缘的能量迅速增加，而导带和分裂带的移动速度较慢。结果，仅添加百分之几的铋，带隙就减小了几百meV，自旋轨道分裂（分裂和价带边缘之间的间隙[Δso]）增加了几百meV。Δso是一个关键量，因为GaAs中的空穴必须处于分裂带中，才能获得足够的能量来启动碰撞电离。因此，随着Δso的增加，空穴更难达到分裂带和碰撞电离。

图1：左图：铋（紫色）是一个大的V族原子，它取代了砷化镓矩阵中的砷（红色）。右图：即使在砷化镓中加入少量铋，也会对材料的能带结构产生深远的影响。

图2：左：随着铋含量的增加，电子电离系数缓慢（线性）降低。

铋诱导的能带结构变化有助于实现具有理想特性的低噪声光电探测器。带隙的减小将检测截止值推至1.1 µm，并增加吸收系数；Δso的增加降低了β，而α基本保持不变，导致α/β比值在2到100之间增加。

我们利用分子束外延（MBE）技术在砷化镓衬底上制作了一系列GaAsBi光电探测器。在epi ready（001）（外延级）衬底上，我们制作了外延结构，包含铋含量高达约5%的GaAsBi本征层，夹在掺杂的砷化镓包层之间，并用薄的重掺杂层覆盖。生长速率在0.3-0.6 μm/hr范围内。

在生产GaAsBi外延层时，主要考虑的是合适的生长温度。我们通常在350℃和400℃之间，因为当温度超过400℃时，铋的掺入量变得非常小（小于4%）。确定GaAsBi的理想生长温度并不容易——高生长温度阻碍了铋的掺入，而较低的生长温度会引入反位（antisites）、间隙（interstitials）和空位（vacancies），从而导致较差的器件特性。

一个关键考虑因素是在生长过程中半导体表面上的铋含量。其存在可通过保持生长光滑表面来改善材料质量，在很大程度上抵消低生长温度的影响。然而，如果铋含量过多，就会形成铋滴；除了破坏生长外，这些液滴还会耗尽铋表面的粒子数，并阻碍这种元素与砷化镓的结合。

图3：左：降低α/β比（增加a和b之间的差异）可以降低雪崩光电二极管中的噪声。基于实验数据（数据点）的预测（实线）表明，对于厚、高铋含量的层，噪声非常低。右图：对于1500 nm厚的器件，GaAsBi的铋含量预计将超过硅的4%。预计在铋含量较高时，噪声将继续降低。

GaAsBi外延层生长装置面临的另一个决定是适当的砷通量。如果设置得太高，过量的砷会将铋原子排出生长晶格，并增加砷反位的密度。为了避免这种情况，使用0.9到1.1之间的砷/镓原子通量比是合适的。GaAsBi的良好生长有一套“优化”的生长条件，温度、铋通量和砷通量都恰到好处——不太大，也不太小。

我们的器件范围包括许多p-i-n和n-i-p结构，这些结构具有GaAsBi活性区，厚度从200 nm到1600 nm不等，铋含量从0.7%到5%。通过对这些样品进行X射线衍射和光电流测量，我们发现1064 nm处铋含量超过3.5%，吸收系数是硅的100多倍，这对于光电探测器来说是一个很有希望的结果。

我们还对我们的器件进行了电气测量。其显示出随器件面积而变化的良好的正向二极管特性，而对于直径为50 µm的器件，击穿前暗电流低于10 mA。我们认为，这些二极管中反向漏电流的背后是体泄漏和表面泄漏的组合。

谢菲尔德Dilute Bismides团队在MBE实验室中。从左到右依次为：Matthew Carr（博士生）、Nick Bailey（博士生）、Rob Richards博士（组长）、Tom Rockett博士（PDRA）、Nada Adham（博士生）和Shiyuan Gao（博士生）。

电子和空穴引发的光电倍增测量已用于确定α和β的值。这项工作表明，增加铋含量只会使a值降低约30%，而在低电场下会使β值降低一个数量级（见图2）。

我们的计算表明，GaAsBi材料体系可以生产雪崩光电二极管，其过量噪声甚至低于硅所能达到的噪声（见图3）。虽然其他III-V材料在过去已经达到了相对较低的噪声，但这是首次在用这种稀释（约5%）合金制成的雪崩光电二极管中观察到这种性能。鉴于这项工作尚处于起步阶段，接下来可能会有更好的结果。

这些结果说明了在波长远超过1 µm的情况下生产极低噪声雪崩光电二极管的机制。多年来，人们一直强烈希望在由III-V制成的器件中具有类似硅的探测器特性。对于可用于电信和激光雷达的低噪声探测器的制造，能带结构的铋工程可能使这一点更接近现实。

进一步阅读

Y. Liu et al. Nat. Commun. 12 4784 (2021)

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