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Gain and Excess Noise in HgCdTe e-Avalanche Photodiodes at Various Temperatures and Wavelengths

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作者
Liqi Zhu,Huachen Ge,Huijun Guo,Lu Chen,Chun Lin,Baile Chen
出处
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:70 (5): 2384-2388 被引量:12
标识
DOI:10.1109/ted.2023.3261820
摘要

Avalanche photodiodes (APDs) can amplify the weak optical signal as well as enable higher receiver sensitivity due to the internal avalanche gain, but the impact ionization process can also introduce the "excess noise," which limits the practically achievable signal-to-noise ratio (or sensitivity) and gain-bandwidth product. Hg $_{{1} -{x}}$ CdxTe electron-initialed APDs (e-APD) have been demonstrated to exhibit high performance in terms of gain and excess noise at 77 K. Here, we discuss the gain and excess noise properties of multiple Hg $_{{1}-{x}}$ CdxTe e-APDs with different Cd compositions targeting at short-wavelength infrared (SWIR), mid-wavelength infrared (MWIR), and long-wavelength infrared (LWIR) band operating at various temperatures. It demonstrates that the gain of APDs increases as the temperature decreases and the cutoff wavelength of the devices increases, which is related to the decrease of electron effective mass, optical photon scattering rate, and bandgap of the materials. In addition, the low excess noise of less than 1.6 at high gains is also achieved for the devices over a wide range of temperatures. The large spin-orbit splitting energy ( $\Delta $ so) in comparison to bandgap energy is considered to be responsible for the observed pure electron avalanche and exceptionally low excess noise. This work may provide insight into the low-noise HgCdTe APDs and is beneficial for the future applications of high-temperature operating and high-performance optical receivers.

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