Avances recientes enfotodetectores de avalancha de alta sensibilidad
Alta sensibilidad a temperatura ambiente de 1550 nmdetector de fotodiodos de avalancha
En la banda del infrarrojo cercano (SWIR), los diodos de avalancha de alta sensibilidad y alta velocidad se utilizan ampliamente en comunicaciones optoelectrónicas y aplicaciones LiDAR. Sin embargo, el fotodiodo de avalancha (APD) actual en el infrarrojo cercano, dominado por el diodo de ruptura de avalancha de arsénico de galio indio (InGaAs APD), siempre se ha visto limitado por el ruido de ionización por colisión aleatoria de los materiales tradicionales de la región multiplicadora, el fosfuro de indio (InP) y el arsénico de aluminio indio (InAlAs), lo que resulta en una reducción significativa de la sensibilidad del dispositivo. A lo largo de los años, muchos investigadores han estado buscando activamente nuevos materiales semiconductores que sean compatibles con los procesos de la plataforma optoelectrónica InGaAs e InP y que tengan un rendimiento de ruido de ionización de impacto ultrabajo similar al de los materiales de silicio masivo.
El innovador detector de fotodiodo de avalancha de 1550 nm contribuye al desarrollo de sistemas LiDAR.
Un equipo de investigadores del Reino Unido y Estados Unidos ha desarrollado por primera vez con éxito un nuevo fotodetector APD de ultra alta sensibilidad de 1550 nm (fotodetector de avalanchas), un avance que promete mejorar enormemente el rendimiento de los sistemas LiDAR y otras aplicaciones optoelectrónicas.
Los nuevos materiales ofrecen ventajas clave
Lo más destacado de esta investigación es el uso innovador de materiales. Los investigadores eligieron GaAsSb como capa de absorción y AlGaAsSb como capa multiplicadora. Este diseño difiere del tradicional InGaAs/InP y ofrece ventajas significativas:
1. Capa de absorción de GaAsSb: El GaAsSb tiene un coeficiente de absorción similar al del InGaAs, y la transición de la capa de absorción de GaAsSb a la de AlGaAsSb (capa multiplicadora) es más fácil, lo que reduce el efecto de trampas y mejora la velocidad y la eficiencia de absorción del dispositivo.
2. Capa multiplicadora de AlGaAsSb: La capa multiplicadora de AlGaAsSb ofrece un rendimiento superior al de las capas multiplicadoras tradicionales de InP e InAlAs. Esto se refleja principalmente en una alta ganancia a temperatura ambiente, un ancho de banda elevado y un ruido de exceso ultrabajo.
Con excelentes indicadores de rendimiento
El nuevofotodetector APD(detector de fotodiodo de avalancha) también ofrece mejoras significativas en las métricas de rendimiento:
1. Ganancia ultra alta: Se logró una ganancia ultra alta de 278 a temperatura ambiente, y recientemente el Dr. Jin Xiao mejoró la optimización de la estructura y el proceso, y la ganancia máxima se incrementó a M=1212.
2. Ruido muy bajo: muestra un ruido excesivo muy bajo (F < 3, ganancia M = 70; F < 4, ganancia M = 100).
3. Alta eficiencia cuántica: con la ganancia máxima, la eficiencia cuántica alcanza el 5935,3%. Fuerte estabilidad térmica: la sensibilidad de ruptura a baja temperatura es de aproximadamente 11,83 mV/K.
Figura 1. Ruido excesivo del APD.dispositivos fotodetectoresen comparación con otros fotodetectores APD
Amplias perspectivas de aplicación
Este nuevo APD tiene importantes implicaciones para los sistemas LiDAR y las aplicaciones de fotones:
1. Relación señal-ruido mejorada: Las características de alta ganancia y bajo ruido mejoran significativamente la relación señal-ruido, lo cual es fundamental para aplicaciones en entornos con poca luminosidad, como la monitorización de gases de efecto invernadero.
2. Gran compatibilidad: El nuevo fotodetector APD (fotodetector de avalancha) está diseñado para ser compatible con las plataformas optoelectrónicas de fosfuro de indio (InP) actuales, lo que garantiza una integración perfecta con los sistemas de comunicación comerciales existentes.
3. Alta eficiencia operativa: Puede funcionar de manera eficiente a temperatura ambiente sin mecanismos de refrigeración complejos, lo que simplifica su implementación en diversas aplicaciones prácticas.
El desarrollo de este nuevo fotodetector APD SACM de 1550 nm (fotodetector de avalancha) representa un gran avance en el campo. Supera las limitaciones clave asociadas con el exceso de ruido y los productos de ancho de banda de ganancia en los diseños tradicionales de fotodetectores APD (fotodetectores de avalancha). Se espera que esta innovación impulse las capacidades de los sistemas LiDAR, especialmente en sistemas LiDAR no tripulados, así como las comunicaciones en espacio libre.
Fecha de publicación: 13 de enero de 2025