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 de LiDAR. No entanto, os fotodiodos de avalanche (APDs) de infravermelho próximo atualmente disponíveis, dominados por diodos de ruptura por avalanche de índio-gálio-arsênio (InGaAs), sempre foram limitados pelo ruído de ionização por colisão aleatória dos materiais tradicionais da região multiplicadora, fosfeto de índio (InP) e arsênio de índio-alumínio (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 por impacto ultrabaixo, similar ao do silício em massa.
O inovador detector de fotodiodo de avalanche de 1550 nm auxilia o 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), uma inovação 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 tradicional InGaAs/InP e traz vantagens significativas:
1. Camada de absorção de GaAsSb: O GaAsSb possui um coeficiente de absorção semelhante ao do InGaAs, e a transição da camada de absorção de GaAsSb para a camada de AlGaAsSb (camada multiplicadora) é mais fácil, reduzindo o efeito de aprisionamento e melhorando a velocidade e a eficiência de absorção do dispositivo.
2. Camada multiplicadora de AlGaAsSb: A camada multiplicadora de AlGaAsSb apresenta desempenho superior às camadas multiplicadoras tradicionais de InP e InAlAs. Isso se reflete principalmente no alto ganho à temperatura ambiente, na alta largura de banda e no 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 à temperatura ambiente e, recentemente, o Dr. Jin Xiao aprimorou a otimização da estrutura e o processo, aumentando o ganho máximo 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 ganho máximo, a eficiência quântica chega a 5935,3%. Forte estabilidade térmica: a sensibilidade à ruptura em baixas temperaturas é de aproximadamente 11,83 mV/K.
Figura 1. Ruído excessivo do APDdispositivos fotodetectorescomparado com outros fotodetectores APD
Ampla perspectiva de aplicação
Este novo APD tem implicações importantes para sistemas LiDAR e aplicações de fótons:
1. Melhoria da relação sinal-ruído: As características de alto ganho e baixo ruído melhoram significativamente a relação sinal-ruído, o que é crucial para aplicações em ambientes com baixa incidência de fótons, como o monitoramento de gases de efeito estufa.
2. Forte compatibilidade: O novo fotodetector APD (fotodetector de avalanche) foi projetado para ser compatível com as plataformas optoeletrônicas de fosfeto de índio (InP) atuais, garantindo uma integração perfeita com os sistemas de comunicação comerciais existentes.
3. Alta eficiência operacional: Pode operar de forma eficiente à temperatura ambiente sem mecanismos de refrigeração complexos, simplificando a implantação em diversas aplicações práticas.
O desenvolvimento deste novo fotodetector APD SACM de 1550 nm (fotodetector de avalanche) representa um grande avanço na área, solucionando as principais limitações associadas ao excesso de ruído e aos produtos de ganho-largura de banda dos fotodetectores APD (fotodetectores de avalanche) tradicionais. Espera-se que essa inovação impulsione as capacidades dos sistemas LiDAR, especialmente em sistemas LiDAR não tripulados, bem como em comunicações em espaço livre.
Data da publicação: 13/01/2025