極端に低い雑音と決定論的増幅を示す多段階階段型アバランシェフォトダイオード

1982年にCapassoたちは、階段アバランシェフォトダイオードと呼ばれる、光電子増倍管に類似した固体デバイスを提案した。組成傾斜と低印加バイアスの組み合わせによって、光電子増倍管のダイノードと同じように機能する一連の階段状になるよう伝導帯プロファイルが整えられ、衝突イオン化によってそれぞれの段で2倍の利得が得られる。これまでに、一段階の階段が報告されているが、多段階カスケードを経る利得スケーリングの実証やノイズ特性の報告は行われていない。今回我々は、最大で3段階の利得スケーリングを実証しており、測定の結果、階段の段数Nに対して予想された2^Nスケーリングが示された。さらに、測定された雑音は利得とともに増加したが、その増加速度は光電子増倍管よりも遅かった。これはおそらく、適切に設計されたヘテロ接合における衝突イオン化の確率性が、金属からの二次電子放出と比べて低いことに起因する。利得と雑音の両方について、実験結果とモンテカルロシミュレーション結果の間に優れた一致が見いだされた。