Recente ontwikkelingen inzeer gevoelige lawinefotodetectoren
Hoge gevoeligheid bij kamertemperatuur, 1550 nmlawinefotodiode-detector
In het nabij-infrarood (SWIR) gebied worden zeer gevoelige, snelle lawinediodes veelvuldig gebruikt in opto-elektronische communicatie en LiDAR-toepassingen. De huidige nabij-infrarood lawinefotodiodes (APD's), voornamelijk gebaseerd op indiumgalliumarseen-lawine-doorslagdiodes (InGaAs APD's), worden echter beperkt door de willekeurige botsingsionisatieruis van traditionele materialen in het vermenigvuldigingsgebied, zoals indiumfosfide (InP) en indiumaluminiumarseen (InAlAs). Dit resulteert in een aanzienlijke vermindering van de gevoeligheid van het apparaat. Al jaren zijn veel onderzoekers actief op zoek naar nieuwe halfgeleidermaterialen die compatibel zijn met de opto-elektronische platformprocessen van InGaAs en InP en die een ultralage impactionisatieruis hebben, vergelijkbaar met bulk siliciummaterialen.
De innovatieve lawinefotodiode-detector met een golflengte van 1550 nm draagt bij aan de ontwikkeling van LiDAR-systemen.
Een team van onderzoekers in het Verenigd Koninkrijk en de Verenigde Staten heeft voor het eerst met succes een nieuwe ultragevoelige 1550 nm APD-fotodetector ontwikkeld (lawinefotodetector), een doorbraak die de prestaties van LiDAR-systemen en andere opto-elektronische toepassingen aanzienlijk belooft te verbeteren.
Nieuwe materialen bieden belangrijke voordelen.
Het hoogtepunt van dit onderzoek is het innovatieve gebruik van materialen. De onderzoekers kozen GaAsSb als absorptielaag en AlGaAsSb als vermenigvuldigingslaag. Dit ontwerp verschilt van de traditionele InGaAs/InP-structuur en biedt aanzienlijke voordelen:
1. GaAsSb-absorptielaag: GaAsSb heeft een vergelijkbare absorptiecoëfficiënt als InGaAs, en de overgang van de GaAsSb-absorptielaag naar AlGaAsSb (multiplicatorlaag) verloopt soepeler, waardoor het valeffect wordt verminderd en de snelheid en absorptie-efficiëntie van het apparaat worden verbeterd.
2. AlGaAsSb-multiplicatorlaag: De AlGaAsSb-multiplicatorlaag presteert beter dan de traditionele InP- en InAlAs-multiplicatorlagen. Dit komt vooral tot uiting in een hoge versterking bij kamertemperatuur, een hoge bandbreedte en een extreem lage overmatige ruis.
Met uitstekende prestatie-indicatoren
De nieuweAPD-fotodetector(Lawinefotodiode-detector) biedt ook aanzienlijke verbeteringen in prestatieparameters:
1. Ultrahoge versterking: Bij kamertemperatuur werd een ultrahoge versterking van 278 bereikt. Recent heeft Dr. Jin Xiao de structuuroptimalisatie en het proces verbeterd, waardoor de maximale versterking is verhoogd tot M=1212.
2. Zeer lage ruis: vertoont zeer weinig overmatige ruis (F < 3, versterking M = 70; F<4, versterking M=100).
3. Hoge kwantumrendement: bij maximale versterking bedraagt het kwantumrendement maar liefst 5935,3%. Sterke temperatuurstabiliteit: de doorslaggevoeligheid bij lage temperaturen is ongeveer 11,83 mV/K.
Figuur 1. Overmatige ruis van APD.fotodetectorapparatenvergeleken met andere APD-fotodetectoren
Brede toepassingsmogelijkheden
Deze nieuwe APD heeft belangrijke implicaties voor liDAR-systemen en fotontoepassingen:
1. Verbeterde signaal-ruisverhouding: De hoge versterking en lage ruis verbeteren de signaal-ruisverhouding aanzienlijk, wat cruciaal is voor toepassingen in omgevingen met weinig fotonen, zoals het monitoren van broeikasgassen.
2. Sterke compatibiliteit: De nieuwe APD-fotodetector (lawinefotodetector) is ontworpen om compatibel te zijn met de huidige indiumfosfide (InP) opto-elektronicaplatformen, waardoor een naadloze integratie met bestaande commerciële communicatiesystemen wordt gegarandeerd.
3. Hoge operationele efficiëntie: Het apparaat kan efficiënt werken bij kamertemperatuur zonder complexe koelmechanismen, waardoor de inzet in diverse praktische toepassingen wordt vereenvoudigd.
De ontwikkeling van deze nieuwe 1550 nm SACM APD-fotodetector (lawinefotodetector) is een belangrijke doorbraak in het vakgebied. Het pakt de belangrijkste beperkingen aan die samenhangen met overmatige ruis en bandbreedteproducten in traditionele APD-fotodetectorontwerpen. Deze innovatie zal naar verwachting de mogelijkheden van liDAR-systemen, met name onbemande liDAR-systemen, en vrije-ruimtecommunicatie aanzienlijk verbeteren.
Geplaatst op: 13 januari 2025