在砷化鎵中加入少量鉍可以降低雪崩光電二極管的噪聲

  為光電探測器的噪聲設(shè)定一個新的低點遠不止是炫耀那么簡單。其成功有助于許多重要的應(yīng)用。以運行在以1300 nm和1550 nm為中心的O和C頻段，并包含間歇信號增強器的光網(wǎng)絡(luò)為例，通過減少發(fā)射器的功率或減少放大器的數(shù)量，大幅降低部署在這些網(wǎng)絡(luò)中的探測器中的噪聲，可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。另一個例子是激光雷達（lidar），這是一種用于自動駕駛車輛和地理空間測繪的技術(shù)——對于這兩種應(yīng)用，降低探測器中的噪聲可以實現(xiàn)更快、更精確的測量。

  當需要高速和高靈敏度時，標準的光電探測器可能無法滿足要求。這些器件只能從入射光中產(chǎn)生適度的信號，從而限制了其信噪比，尤其是在測量時間有限的情況下，如高速通信或激光雷達。雖然外部放大器可以增加信號，但噪聲也會被放大，從而影響提高信噪比的努力。

  確保高靈敏度和高速度的更好選擇是雪崩光電二極管。與傳統(tǒng)探測器一樣，它吸收的每個光子都會激發(fā)一個電子到導(dǎo)帶，在價帶上留下一個空穴——而內(nèi)部電場會將這些載流子拉向相反的方向。然而，在雪崩光電二極管中，其電場遠強于標準光電探測器中的電場，通過一種稱為碰撞電離的過程，使載流子獲得足夠的能量來激發(fā)額外的電子-空穴對。這些新電離的電子和空穴本身被加速，最終導(dǎo)致大量電子和空穴產(chǎn)生電流，有效地放大了原始信號。

  對于1000 nm以下的大多數(shù)檢測，由硅制成的現(xiàn)有的雪崩光電二極管是成熟的商業(yè)產(chǎn)品。硅是制造這類探測器的近乎理想的材料，因為其技術(shù)成熟，而且電子比空穴更容易引起碰撞電離。這反映在電子和空穴電離系數(shù)的比值α和β中，這些值非常大。由于這一點，因電離過程的隨機性而產(chǎn)生的“多余”噪聲大大降低了。

  不幸的是，硅光電二極管的檢測特性遠不理想。由于這種材料的間接帶隙，需要厚厚的一層來確保光子的充分吸收。對于硅吸收末端1 μm左右的檢測來說，這一點尤其明顯，為了實現(xiàn)合理的量子效率，探測器必須非常厚——這一要求會阻止高速運行。由于這個限制，硅雪崩光電二極管不適合用于光通信網(wǎng)絡(luò)和一些激光雷達系統(tǒng)。

  紅外線的選擇包括HgCdTe（碲鎘汞）和InAs（砷化銦）。兩者的α/β比幾乎無限大，但由于它們的帶隙很小，需要冷卻以減少暗電流。另一種選擇是GaAs（砷化鎵）及其相關(guān)合金。不幸的是，這種材料體系的α/β比近乎一樣，導(dǎo)致了大量噪聲。然而，我們在謝菲爾德大學(xué)的團隊已經(jīng)證明，通過向這種材料體系中添加少量鉍，可能會克服這一困難，為一種新型、高度靈活的極低噪聲雪崩光電探測器系列打開了大門。

  鉍的好處

  在GaAs中加入鉍對能帶結(jié)構(gòu)有顯著影響（見圖1）。當添加鉍時，它會取代砷，并引入與價帶邊緣相互作用的電子態(tài)。這會導(dǎo)致價帶邊緣的能量迅速增加，而導(dǎo)帶和分裂帶的移動速度較慢。結(jié)果，僅添加百分之幾的鉍，帶隙就減小了幾百meV，自旋軌道分裂（分裂和價帶邊緣之間的間隙[Δso]）增加了幾百meV。Δso是一個關(guān)鍵量，因為GaAs中的空穴必須處于分裂帶中，才能獲得足夠的能量來啟動碰撞電離。因此，隨著Δso的增加，空穴更難達到分裂帶和碰撞電離。

  圖1：左圖：鉍（紫色）是一個大的V族原子，它取代了砷化鎵矩陣中的砷（紅色）。右圖：即使在砷化鎵中加入少量鉍，也會對材料的能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生深遠的影響。

  圖2：左：隨著鉍含量的增加，電子電離系數(shù)緩慢（線性）降低。

  鉍誘導(dǎo)的能帶結(jié)構(gòu)變化有助于實現(xiàn)具有理想特性的低噪聲光電探測器。帶隙的減小將檢測截止值推至1.1 μm，并增加吸收系數(shù)；Δso的增加降低了β，而α基本保持不變，導(dǎo)致α/β比值在2到100之間增加。

  我們利用分子束外延（MBE）技術(shù)在砷化鎵襯底上制作了一系列GaAsBi光電探測器。在epi ready（001）（外延級）襯底上，我們制作了外延結(jié)構(gòu)，包含鉍含量高達約5%的GaAsBi本征層，夾在摻雜的砷化鎵包層之間，并用薄的重摻雜層覆蓋。生長速率在0.3-0.6 μm/hr范圍內(nèi)。

  在生產(chǎn)GaAsBi外延層時，主要考慮的是合適的生長溫度。我們通常在350℃和400℃之間，因為當溫度超過400℃時，鉍的摻入量變得非常小（小于4%）。確定GaAsBi的理想生長溫度并不容易——高生長溫度阻礙了鉍的摻入，而較低的生長溫度會引入反位（antisites）、間隙（interstitials）和空位（vacancies），從而導(dǎo)致較差的器件特性。

  一個關(guān)鍵考慮因素是在生長過程中半導(dǎo)體表面上的鉍含量。其存在可通過保持生長光滑表面來改善材料質(zhì)量，在很大程度上抵消低生長溫度的影響。然而，如果鉍含量過多，就會形成鉍滴；除了破壞生長外，這些液滴還會耗盡鉍表面的粒子數(shù)，并阻礙這種元素與砷化鎵的結(jié)合。

  圖3：左：降低α/β比（增加a和b之間的差異）可以降低雪崩光電二極管中的噪聲。基于實驗數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)點）的預(yù)測（實線）表明，對于厚、高鉍含量的層，噪聲非常低。右圖：對于1500 nm厚的器件，GaAsBi的鉍含量預(yù)計將超過硅的4%。預(yù)計在鉍含量較高時，噪聲將繼續(xù)降低。

  GaAsBi外延層生長裝置面臨的另一個決定是適當?shù)纳橥?。如果設(shè)置得太高，過量的砷會將鉍原子排出生長晶格，并增加砷反位的密度。為了避免這種情況，使用0.9到1.1之間的砷/鎵原子通量比是合適的。GaAsBi的良好生長有一套“優(yōu)化”的生長條件，溫度、鉍通量和砷通量都恰到好處——不太大，也不太小。

  我們的器件范圍包括許多p-i-n和n-i-p結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)具有GaAsBi活性區(qū)，厚度從200 nm到1600 nm不等，鉍含量從0.7%到5%。通過對這些樣品進行X射線衍射和光電流測量，我們發(fā)現(xiàn)1064 nm處鉍含量超過3.5%，吸收系數(shù)是硅的100多倍，這對于光電探測器來說是一個很有希望的結(jié)果。

  我們還對我們的器件進行了電氣測量。其顯示出隨器件面積而變化的良好的正向二極管特性，而對于直徑為50 μm的器件，擊穿前暗電流低于10 mA。我們認為，這些二極管中反向漏電流的背后是體泄漏和表面泄漏的組合。

  謝菲爾德Dilute Bismides團隊在MBE實驗室中。從左到右依次為：Matthew Carr（博士生）、Nick Bailey（博士生）、Rob Richards博士（組長）、Tom Rockett博士（PDRA）、Nada Adham（博士生）和Shiyuan Gao（博士生）。

  電子和空穴引發(fā)的光電倍增測量已用于確定α和β的值。這項工作表明，增加鉍含量只會使a值降低約30%，而在低電場下會使β值降低一個數(shù)量級（見圖2）。

  我們的計算表明，GaAsBi材料體系可以生產(chǎn)雪崩光電二極管，其過量噪聲甚至低于硅所能達到的噪聲（見圖3）。雖然其他III-V材料在過去已經(jīng)達到了相對較低的噪聲，但這是首次在用這種稀釋（約5%）合金制成的雪崩光電二極管中觀察到這種性能。鑒于這項工作尚處于起步階段，接下來可能會有更好的結(jié)果。

  這些結(jié)果說明了在波長遠超過1 μm的情況下生產(chǎn)極低噪聲雪崩光電二極管的機制。多年來，人們一直強烈希望在由III-V制成的器件中具有類似硅的探測器特性。對于可用于電信和激光雷達的低噪聲探測器的制造，能帶結(jié)構(gòu)的鉍工程可能使這一點更接近現(xiàn)實。

  作者：Robert Richards，謝菲爾德大學(xué)