在 -2 V 就实现 1200 倍增益：HPT 能否取代高偏压 APD 成为主流 SWIR 解决方案？

此研究针对短波红外（SWIR）探测领域，成功研制出具备高内部增益、低噪声特性的 InP/InGaAs 异质结光电晶体管（HPT），并对其低频区域的噪声机制进行了系统深入的分析。

核心成果包括以下几个方面：

首先，器件在 -2 V 偏压下实现了约 1200 的高光学增益，暗电流密度低于目前最先进的雪崩光电二极管（APD），展现出卓越的器件性能。

其次，研究首次在增益型探测器中提取出 Hooge 常数(2.1X 10-5），其数值与高性能HgCdTe 器件相当，验证了该 HPT的低噪声潜力。

第三，通过温度相关的多级随机电报信号（RTS）分析，成功鉴定出两类深能级缺陷：InP 发射极中由 Zn 扩散引入的缺陷（活化能0.28 eV）以及 InGaAs 集电极中 Ga 空位本征缺陷（活化能0.36 eV）。

最后，研究证实 HPT的低频噪声功率与内部增益相互独立，为开发超高灵敏度 SWIR 成像传感器提供了重要的理论依据。

Lining Liu 与 Jianguo Liu 为本研究的核心领导，负责整体研究方向规划，并在异质结光电晶体管（HPT）的结构设计与物理机制分析方面提供主要学术指导。

Zheyuan Shen 与 Zeping Zhao 为共同第一作者，主要负责器件实验、低频噪声测量以及随机电报信号（RTS）机制鉴定。

Lingyun Zhuang、Lu Cheng 与 Haolei Feng 等成员参与了器件制备与物理特性表征工作。

团队长期深耕三五族化合物半导体领域，具备成熟的 金属有机化学气相沉积 外延技术能力，研究重点聚焦于短波红外（SWIR）探测器性能极限，以及低频噪声与缺陷机制分析。

该研究获得 中国国家自然科学基金 与 中国科学院 的经费支持。

短波红外（SWIR）探测技术在激光雷达（LiDAR）、量子计算、天文观测及医学成像等领域具有不可替代的地位。

目前市场主流方案是 InGaAs PIN 光电探测器，但由于缺乏内部增益，其灵敏度受限于读出电路（ROIC）的噪声基底，难以实现单光子量级的探测能力。

为突破上述瓶颈，研究者相继开发了多种具备内部增益机制的器件，其中雪崩光电二极管（APD）最具代表性。

然而，APD 在高增益工作模式下通常需要 50 V 以上的高偏压，且伴随显著的过剩噪声（Excess Noise）。

相比之下，异质结光电晶体管（HPT）凭借高响应度、低过剩噪声以及低功耗等综合优势，成为微弱光探测领域的有力竞争者。

尽管 HPT 已展现出极高的灵敏度（可探测低于 10 个光子），但其内部低频噪声的物理起源——特别是缺陷诱导的随机电报信号（RTS）噪声——至今缺乏系统性的定量研究，严重制约了 HPT 器件性能向物理极限的进一步突破。

器件采用 MOCVD 在 InP 衬底上进行外延生长，结构由下至上依次为：

1.5 µm n- In0.53 Ga0.47 As 集电极（兼作吸收层）、100 nmp-In 0.53 Ga 0.47As 基极、25 nm 组分渐变 InGaAsP 过渡层（用于降低发射极-基极界面的电子势垒）、200 nm n-InP 发射极，以及 300 nm n+-In0.53 Ga0.47 As 欧姆接触层。

器件加工采用两步刻蚀工艺：以SiO2 为硬掩膜，先进行氯基感应耦合等离子体（ICP）干法刻蚀，再以H3 PO4/H2O2/H2O 湿法刻蚀修复表面损伤；金属接触电极采用 Ti/Pt/Au 蒸镀工艺。

为提高内部增益，发射极与基极的台面直径均小于集电极，典型测试器件直径为 30 µm。

电学性能表征

I-V 特性与增益分析：在 300 K、-2 V 偏压及 1.55 µm 光照（10 nW）条件下，器件响应度约为 1500 A/W，对应光学增益 Gopt≈1200，基于双极型晶体管模型推算的内部电流增益 βint高达 1861。

温度相关 I-V 测试表明，暗电流随温度降低显著减小，175 K 时已降至测量系统极限（约 10−12 A）。

与 APD 横向比较：在 -2 V 时，该 HPT 的暗电流密度与先进 APD 在 -38 V（尚未到达穿通电压、无增益状态）时相当，而 HPT 此时已具备 1200 倍增益，充分体现了低压运行的显著优势。

频域噪声谱分析： 噪声功率密度（SI）测试覆盖 0.005 Hz 至 100 Hz 的极低频段。

在 225 K以上温度下，频谱呈现1/f 噪声与单个缺陷产生的洛伦兹谱（Lorentzian Spectrum，高频呈 1/f2衰减）的叠加特征；随温度升高，洛伦兹谱的转折频率向高频方向移动，反映出缺陷捕获/发射频率的热激活特性。

利用SI 与I2的线性比例关系，研究团队提取出 Hooge 常数 aH = 2.1 X10-5，不仅落在 InGaAs 器件的正常范围内，更与HgCdTe 器件处于同一水平，证明了该HPT 材料质量的优越性。

时域暗电流波动测试揭示了多级RTS 信号的存在：在 225 K与 250 K 下，观测到明显的二级RTS，表明两类不同缺陷同时参与了暗电流的捕获-发射过程。

通过对 RTS 振幅（ΔI）随温度变化进行 Arrhenius 作图，提取出两类缺陷的活化能：
缺陷 1（Trap 1）：Ea≈0.28 eV

缺陷 2（Trap 2）：Ea≈0.36 eV

进一步分析捕获时间tc与发射时间 te随温度的变化规律，发现两者均随温度升高呈指数减小；通过费米能级相对位置的计算，确认上述缺陷均位于费米能级上方，属于受主型（Acceptor-like）缺陷，以捕获电子为主要作用方式。

结合二次离子质谱（SIMS）深度剖析结果，研究团队完成了缺陷的物理定位：缺陷 1 位于 InP 发射极区域，成因为MOCVD 高温外延过程中基极 Zn 掺杂原子向 InP 层扩散，文献报道 Zn 在 InP 中引入的缺陷能级活化能约为0.3 eV，与实验结果高度吻合；缺陷2 位于 InGaAs 集电极（吸收层），推断为InGaAs 中的 Ga 空位本征缺陷，第一性原理计算给出的活化能为 0.367 eV，与实验测得的 0.36 eV 基本一致。

若使用 Enlitech APD-QE 系统，研究者将能获得更精确的全光谱 EQE 曲线与自动化的 D* / NEP 光谱检查。

此研究建立了InP/InGaAs HPT 低频噪声与外延生长微观缺陷之间的定量对应关系，为三五族化合物半导体器件的失效分析提供了方法论范例。

研究同时证实，HPT 的低频噪声功率不随内部增益变化，这一结论对于设计超高灵敏度 SWIR 焦平面阵列（FPA）具有重要指导意义。

后续优化方向主要集中于两点：一是将基极掺杂剂由 Zn 替换为碳（C）或铍（Be），从根本上抑制扩散型缺陷的引入；二是优化 MOCVD 外延工艺参数，降低 InGaAs 中 Ga 空位等本征缺陷的密度，从而将器件噪声性能进一步推向物理极限。