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(cè)器的噪聲設(shè)定一個(gè)新的低點(diǎn)遠(yuǎn)不止是炫耀那么簡(jiǎn)單。其成功有助于許多重要的應(yīng)用。以運(yùn)行在以1300 nm和1550 nm為中心的O和C頻段，并包含間歇信號(hào)增強(qiáng)器的光網(wǎng)絡(luò)為例，通過(guò)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(cè)器中的噪聲，可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。另一個(gè)例子是激光雷達(dá)（lidar），這是一種用于自動(dòng)駕駛車輛和地理空間測(cè)繪的技術(shù)——對(duì)于這兩種應(yīng)用，降低探測(cè)器中的噪聲可以實(shí)現(xiàn)更快、更精確的測(cè)量。

  當(dāng)需要高速和高靈敏度時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的光電探測(cè)器可能無(wú)法滿足要求。這些器件只能從入射光中產(chǎn)生適度的信號(hào)，從而限制了其信噪比，尤其是在測(cè)量時(shí)間有限的情況下，如高速通信或激光雷達(dá)。雖然外部放大器可以增加信號(hào)，但噪聲也會(huì)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(cè)器一樣，它吸收的每個(gè)光子都會(huì)激發(fā)一個(gè)電子到導(dǎo)帶，在價(jià)帶上留下一個(gè)空穴——而內(nèi)部電場(chǎng)會(huì)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(chǎng)遠(yuǎn)強(qiáng)于標(biāo)準(zhǔn)光電探測(cè)器中的電場(chǎng)，通過(guò)一種稱為碰撞電離的過(guò)程，使載流子獲得足夠的能量來(lái)激發(fā)額外的電子-空穴對(duì)。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(hào)。

  對(duì)于1000 nm以下的大多數(shù)檢測(cè)，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(cè)器的近乎理想的材料，因?yàn)槠浼夹g(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(diǎn)，因電離過(guò)程的隨機(jī)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(cè)特性遠(yuǎn)不理想。由于這種材料的間接帶隙，需要厚厚的一層來(lái)確保光子的充分吸收。對(duì)于硅吸收末端1 μm左右的檢測(cè)來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)尤其明顯，為了實(shí)現(xiàn)合理的量子效率，探測(cè)器必須非常厚——這一要求會(huì)阻止高速運(yùn)行。由于這個(gè)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(dá)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(wú)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?cè)谥x菲爾德大學(xué)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，通過(guò)向這種材料體系中添加少量鉍，可能會(huì)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(cè)器系列打開了大門。

  鉍的好處

  在GaAs中加入鉍對(duì)能帶結(jié)構(gòu)有顯著影響（見圖1）。當(dāng)添加鉍時(shí)，它會(huì)取代砷，并引入與價(jià)帶邊緣相互作用的電子態(tài)。這會(huì)導(dǎo)致價(jià)帶邊緣的能量迅速增加，而導(dǎo)帶和分裂帶的移動(dòng)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(jià)帶邊緣之間的間隙[Δso]）增加了幾百meV。Δso是一個(gè)關(guān)鍵量，因?yàn)镚aAs中的空穴必須處于分裂帶中，才能獲得足夠的能量來(lái)啟動(dòng)碰撞電離。因此，隨著Δso的增加，空穴更難達(dá)到分裂帶和碰撞電離。

  圖1：左圖：鉍（紫色）是一個(gè)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(huì)對(duì)材料的能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生深遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)具有理想特性的低噪聲光電探測(cè)器。帶隙的減小將檢測(cè)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(cè)器。在epi ready（001）（外延級(jí)）襯底上，我們制作了外延結(jié)構(gòu)，包含鉍含量高達(dá)約5%的GaAsBi本征層，夾在摻雜的砷化鎵包層之間，并用薄的重?fù)诫s層覆蓋。生長(zhǎng)速率在0.3-0.6 μm/hr范圍內(nèi)。

  在生產(chǎn)GaAsBi外延層時(shí)，主要考慮的是合適的生長(zhǎng)溫度。我們通常在350℃和400℃之間，因?yàn)楫?dāng)溫度超過(guò)400℃時(shí)，鉍的摻入量變得非常小（小于4%）。確定GaAsBi的理想生長(zhǎng)溫度并不容易——高生長(zhǎng)溫度阻礙了鉍的摻入，而較低的生長(zhǎng)溫度會(huì)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(gè)關(guān)鍵考慮因素是在生長(zhǎng)過(guò)程中半導(dǎo)體表面上的鉍含量。其存在可通過(guò)保持生長(zhǎng)光滑表面來(lái)改善材料質(zhì)量，在很大程度上抵消低生長(zhǎng)溫度的影響。然而，如果鉍含量過(guò)多，就會(huì)形成鉍滴；除了破壞生長(zhǎng)外，這些液滴還會(huì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)點(diǎn)）的預(yù)測(cè)（實(shí)線）表明，對(duì)于厚、高鉍含量的層，噪聲非常低。右圖：對(duì)于1500 nm厚的器件，GaAsBi的鉍含量預(yù)計(jì)將超過(guò)硅的4%。預(yù)計(jì)在鉍含量較高時(shí)，噪聲將繼續(xù)降低。

  GaAsBi外延層生長(zhǎng)裝置面臨的另一個(gè)決定是適當(dāng)?shù)纳橥?。如果設(shè)置得太高，過(guò)量的砷會(huì)將鉍原子排出生長(zhǎng)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(zhǎng)有一套“優(yōu)化”的生長(zhǎng)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(guò)對(duì)這些樣品進(jìn)行X射線衍射和光電流測(cè)量，我們發(fā)現(xiàn)1064 nm處鉍含量超過(guò)3.5%，吸收系數(shù)是硅的100多倍，這對(duì)于光電探測(cè)器來(lái)說(shuō)是一個(gè)很有希望的結(jié)果。

  我們還對(duì)我們的器件進(jìn)行了電氣測(cè)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(duì)于直徑為50 μm的器件，擊穿前暗電流低于10 mA。我們認(rèn)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(tuán)隊(duì)在MBE實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)）、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(cè)量已用于確定α和β的值。這項(xiàng)工作表明，增加鉍含量只會(huì)使a值降低約30%，而在低電場(chǎng)下會(huì)使β值降低一個(gè)數(shù)量級(jí)（見圖2）。

  我們的計(jì)算表明，GaAsBi材料體系可以生產(chǎn)雪崩光電二極管，其過(guò)量噪聲甚至低于硅所能達(dá)到的噪聲（見圖3）。雖然其他III-V材料在過(guò)去已經(jīng)達(dá)到了相對(duì)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(xiàng)工作尚處于起步階段，接下來(lái)可能會(huì)有更好的結(jié)果。

  這些結(jié)果說(shuō)明了在波長(zhǎng)遠(yuǎn)超過(guò)1 μm的情況下生產(chǎn)極低噪聲雪崩光電二極管的機(jī)制。多年來(lái)，人們一直強(qiáng)烈希望在由III-V制成的器件中具有類似硅的探測(cè)器特性。對(duì)于可用于電信和激光雷達(dá)的低噪聲探測(cè)器的制造，能帶結(jié)構(gòu)的鉍工程可能使這一點(diǎn)更接近現(xiàn)實(shí)。

  作者：Robert Richards，謝菲爾德大學(xué)