超灵敏的光探测器—多级阶梯雪崩光电二极管

德克萨斯大学奥斯汀分校的工程师创造了一种新型同类光探测装置，在宽波长范围内，光增益提高了约两倍。这种装置能够比目前的技术更精确地放大从远处物体反射出来的微弱信号，从而使自动驾驶汽车更全面地了解道路上发生的情况。相关研究发表在《Nature Photonics》上。

图1，作为雪崩光电二极管的一部分，电子沿着“楼梯”滚下时会倍增。

意识到自动驾驶汽车的潜力，取决于能够实时实时感知障碍物和其他车辆并对之做出反应的技术。自动驾驶汽车发出的激光信号会反射物体，实习距离测量。然而，如果返回的光信号很弱，探测器发出的噪声大于进入的光信号，将无法完成测距。

光电倍增管（PMT）由于其极高的信号增益（> 10）和卓越的低噪声性能，通常被认为是紫外线到近红外应用的首选探测器。自首次报道PMT以来的几十年中，这些特性实现了开创性的基础科学突破，例如单光子计数，以及放射免疫测定，正电子发射断层扫描，高能物理，X射线天文学和电子显微镜的进步。光电倍增管继续利用超分辨率和多光子显微镜以及许多其他工业应用促进生物医学的发展。尽管具有优势，但PMT仍具有较高的工作电压（> 1kV），较大的尺寸（?1至10cm），对机械和电磁干扰敏感，易碎的真空管以及高昂的生产成本。1982年，卡帕索和他的同事们提出了光电倍增管的固态类似物，称为阶梯雪崩光电二极管。常规的雪崩光电二极管（APD）是一种有吸引力的固态替代方案，因为它们可以利用半导体集成来生产阵列，需要较低的工作电压（<100 V），具有更紧凑和坚固的外形尺寸，并且通常可以提供较低的成本。常规APD设计有一个高场耗尽区，该区通过碰撞电离产生倍增增益。但是，增益变化是由碰撞电离的随机性引起的，当电子和空穴都能够启动碰撞电离事件时，这种情况会加剧。

为了满足这些需求，全球研究人员正在研究称为雪崩光电二极管（avalanche photodiodes，APD）的设备，使这种新设备脱颖而出的是其阶梯状的对齐方式。它包括能量的物理阶跃，电子会向下滚动，沿途倍增，并在行进时产生更强的电流来进行光检测。作为数字合金生长的AlxIn1-xAsySb1-y材料系统（以下称为AlInAsSb）表现出0.24至1.18eV的可调节直接带隙，并且使传统的APD具有较低的超额噪声，高增益带宽产出和波长灵活的光响应。尽管对于传统的APD操作而言比较复杂，但是带隙的变化几乎完全发生在导带中，这表明AlInAsSb是设计电子引发的碰撞电离结构的理想选择，在2015年，研究人员创建了一个单步楼梯装置。

这里，德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员首次展示了具有多个台阶的AlInAsSb楼梯APD，这样的结构使电子在每一台阶的底部获得的能量都比AlInAsSb的带隙能量大得多。每一步同时提供了更大的电子动能，并通过分级成较小的带隙材料降低了冲击电离阈值，所有长度尺度均与冲击电离的平均自由程相当。高于碰撞电离阈值的热电子碰撞一次电离，使光电流和光增益加倍，导致增益缩放为2N，其中N为步数。电子就像一块大理石一样，滚滚而下，每次大理石从台阶上滚下时，它都会掉落并撞向下一个。在这种情况下，电子会做同样的事情，但是每次碰撞都会释放出足够的能量以释放另一个电子。实验从一个电子开始，但是每一步下降都会使电子数量增加一倍：1、2、4、8，依此类推。

此外，阶梯式APD的性能表明其噪声特性比常规APD有了根本改善，三阶楼梯APD的归一化噪声功率比最佳情况下的APD低大约十倍，而归一化噪声功率则比具有相同增益的最佳情况下的光电倍增管低大约三倍。总的来说，与传统APD相比，阶梯式APD的性能从根本上改善了噪声特性，并且随着阶跃计数的增加，这种额外的噪声优势有望随着增益的增加而有利地扩展。

该设备的另一个重要方面是它可以在室温下运行。如今，最敏感的光检测器需要保持在零以下几百度的温度下，这使其对于激光雷达等应用而言过于昂贵且不切实际。

这种新型像素大小的设备非常适合光检测和测距（激光）接收器，这些接收器需要高分辨率的传感器来检测从远处物体反射的光信号，可以让您使用用于自动驾驶汽车的激光雷达系统将视线扩大到更远的地方。新设备比其他光检测器更灵敏，因为它还消除了与检测过程相关的不一致或噪声。这种噪声可能导致系统错过信号，并使自动驾驶汽车的乘客处于危险之中。

未来的工作将集中于扩展到更高的步数，提高设备的灵敏度和一致性。电子在每步中的一致倍增，即使在弱光条件下，也使来自探测器的电信号更加可靠。