最新の研究アバランシェ光検出器
赤外線検出技術は、軍事偵察、環境モニタリング、医療診断などの分野で広く利用されています。従来の赤外線検出器は、検出感度や応答速度など、性能面で限界がありました。InAs/InAsSbクラスII超格子（T2SL）材料は、優れた光電特性と波長可変性を備えており、長波赤外線（LWIR）検出器に最適です。長波赤外線検出における応答の弱さは長年の懸念事項であり、電子機器アプリケーションの信頼性を大きく制限していました。アバランシェ光検出器（APD光検出器) は応答性能に優れていますが、乗算時に暗電流が高くなります。
これらの問題を解決するために、中国電子科技大学の研究チームは、高性能なクラスII超格子（T2SL）長波赤外線アバランシェフォトダイオード（APD）の設計に成功しました。 研究者らは、InAs / InAsSb T2SL吸収層の低いオージェ再結合率を利用して暗電流を低減しました。同時に、低いk値のAlAsSbを増倍層として使用し、十分なゲインを維持しながらデバイスノイズを抑制しました。 この設計は、長波赤外線検出技術の開発を促進する有望なソリューションを提供します。 検出器は段階的な階層設計を採用し、InAsとInAsSbの組成比を調整することで、バンド構造の滑らかな遷移を実現し、検出器の性能を向上させました。 材料の選択と製造プロセスの観点から、本研究では、検出器の製造に使用されるInAs / InAsSb T2SL材料の成長方法とプロセスパラメータを詳細に説明しています。 InAs/InAsSb T2SLの組成と厚さの決定は重要であり、応力バランスを実現するためにパラメータ調整が必要です。長波赤外線検出の観点から、InAs/GaSb T2SLと同じカットオフ波長を実現するには、InAs/InAsSb T2SLの単周期をより厚くする必要があります。しかし、単周期を厚くすると、成長方向の吸収係数が低下し、T2SL中の正孔の有効質量が増加します。Sb成分を添加することで、単周期の厚さを大幅に増加させることなく、カットオフ波長を長くすることができることが分かっています。ただし、Sb組成が過剰になると、Sb元素の偏析につながる可能性があります。
そのため、APDの活性層として、Sbグループ0.5のInAs/InAs0.5Sb0.5 T2SLが選択された。光検出器InAs/InAsSb T2SLは主にGaSb基板上に成長するため、歪み管理におけるGaSbの役割を考慮する必要があります。基本的に、歪み平衡を達成するには、1周期の超格子の平均格子定数を基板の格子定数と比較する必要があります。通常、InAsの引張歪みはInAsSbによって導入された圧縮歪みによって補償され、InAs層はInAsSb層よりも厚くなります。本研究では、アバランシェ光検出器の光電応答特性（スペクトル応答、暗電流、ノイズなど）を測定し、階段状勾配層設計の有効性を検証しました。アバランシェ光検出器のアバランシェ増倍効果を分析し、増倍係数と入射光パワー、温度などのパラメータとの関係について考察します。
図 (A) InAs/InAsSb 長波赤外線 APD 光検出器の模式図。(B) APD 光検出器の各層における電界の模式図。
投稿日時: 2025年1月6日