Avanços recentes emfotodetectores de avalanche de alta sensibilidade
Alta sensibilidade à temperatura ambiente 1550 nmdetector de fotodiodo de avalanche
Na faixa do infravermelho próximo (SWIR), diodos de avalanche de alta sensibilidade e alta velocidade são amplamente utilizados em comunicações optoeletrônicas e aplicações LiDAR. No entanto, o atual fotodiodo de avalanche (APD) no infravermelho próximo, dominado pelo diodo de ruptura de avalanche de índio, gálio e arsênio (InGaAs APD), sempre foi limitado pelo ruído de ionização de colisão aleatória dos materiais tradicionais da região multiplicadora, fosfeto de índio (InP) e índio, alumínio e arsênio (InAlAs), resultando em uma redução significativa na sensibilidade do dispositivo. Ao longo dos anos, muitos pesquisadores têm buscado ativamente novos materiais semicondutores que sejam compatíveis com os processos de plataforma optoeletrônica de InGaAs e InP e que apresentem desempenho de ruído de ionização de ultrabaixo impacto semelhante ao de materiais de silício em massa.
O inovador detector de fotodiodo de avalanche de 1550 nm auxilia no desenvolvimento de sistemas LiDAR
Uma equipe de pesquisadores do Reino Unido e dos Estados Unidos desenvolveu com sucesso pela primeira vez um novo fotodetector APD de ultra-alta sensibilidade de 1550 nm (fotodetector de avalanche), um avanço que promete melhorar significativamente o desempenho dos sistemas LiDAR e outras aplicações optoeletrônicas.
Novos materiais oferecem vantagens importantes
O destaque desta pesquisa é o uso inovador de materiais. Os pesquisadores escolheram GaAsSb como camada de absorção e AlGaAsSb como camada multiplicadora. Este projeto difere do InGaAs/InP tradicional e traz vantagens significativas:
1. Camada de absorção de GaAsSb: GaAsSb tem um coeficiente de absorção semelhante ao InGaAs, e a transição da camada de absorção de GaAsSb para AlGaAsSb (camada multiplicadora) é mais fácil, reduzindo o efeito de armadilha e melhorando a velocidade e a eficiência de absorção do dispositivo.
2. Camada multiplicadora de AlGaAsSb: A camada multiplicadora de AlGaAsSb é superior às camadas multiplicadoras tradicionais de InP e InAlAs em desempenho. Isso se reflete principalmente em alto ganho à temperatura ambiente, alta largura de banda e ruído excessivo ultrabaixo.
Com excelentes indicadores de desempenho
O novoFotodetector APD(detector de fotodiodo de avalanche) também oferece melhorias significativas nas métricas de desempenho:
1. Ganho ultra-alto: O ganho ultra-alto de 278 foi alcançado em temperatura ambiente e, recentemente, o Dr. Jin Xiao melhorou a otimização da estrutura e o processo, e o ganho máximo foi aumentado para M=1212.
2. Ruído muito baixo: apresenta ruído excessivo muito baixo (F < 3, ganho M = 70; F < 4, ganho M = 100).
3. Alta eficiência quântica: sob o ganho máximo, a eficiência quântica chega a 5935,3%. Forte estabilidade térmica: a sensibilidade à ruptura em baixas temperaturas é de cerca de 11,83 mV/K.
Fig 1 Excesso de ruído do APDdispositivos fotodetectorescomparado com outro fotodetector APD
Amplas perspectivas de aplicação
Este novo APD tem implicações importantes para sistemas liDAR e aplicações de fótons:
1. Melhor relação sinal-ruído: as características de alto ganho e baixo ruído melhoram significativamente a relação sinal-ruído, o que é essencial para aplicações em ambientes com poucos fótons, como monitoramento de gases de efeito estufa.
2. Alta compatibilidade: O novo fotodetector APD (fotodetector de avalanche) foi projetado para ser compatível com as atuais plataformas optoeletrônicas de fosfeto de índio (InP), garantindo integração perfeita com os sistemas de comunicação comercial existentes.
3. Alta eficiência operacional: pode operar eficientemente em temperatura ambiente sem mecanismos complexos de resfriamento, simplificando a implantação em diversas aplicações práticas.
O desenvolvimento deste novo fotodetector SACM APD (fotodetector de avalanche) de 1550 nm representa um grande avanço na área, abordando as principais limitações associadas ao excesso de ruído e aos produtos de largura de banda de ganho em projetos tradicionais de fotodetectores APD (fotodetectores de avalanche). Espera-se que esta inovação impulsione as capacidades dos sistemas LiDAR, especialmente em sistemas LiDAR não tripulados, bem como as comunicações em espaço livre.
Horário da publicação: 13/01/2025