Πρόσφατες εξελίξεις στους φωτοανιχνευτές χιονοστιβάδων υψηλής ευαισθησίας

Πρόσφατες εξελίξεις στοφωτοανιχνευτές χιονοστιβάδων υψηλής ευαισθησίας

Υψηλή ευαισθησία σε θερμοκρασία δωματίου 1550 nmανιχνευτής φωτοδιόδου χιονοστιβάδας

Στη ζώνη εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας (SWIR), οι δίοδοι χιονοστιβάδας υψηλής ευαισθησίας και υψηλής ταχύτητας χρησιμοποιούνται ευρέως σε οπτοηλεκτρονικές επικοινωνίες και εφαρμογές liDAR. Ωστόσο, η τρέχουσα φωτοδίοδος χιονοστιβάδας (APD) εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας, στην οποία κυριαρχεί η δίοδος διάσπασης χιονοστιβάδας ινδίου-γαλλίου-αρσενικού (InGaAs APD), περιορίζεται πάντα από τον θόρυβο ιονισμού τυχαίας σύγκρουσης των παραδοσιακών υλικών πολλαπλασιαστικής περιοχής, του φωσφιδίου του ινδίου (InP) και του αρσενικού ινδίου-αργιλίου (InAlAs), με αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση της ευαισθησίας της συσκευής. Με την πάροδο των ετών, πολλοί ερευνητές αναζητούν ενεργά νέα υλικά ημιαγωγών που είναι συμβατά με τις διεργασίες οπτοηλεκτρονικής πλατφόρμας InGaAs και InP και έχουν εξαιρετικά χαμηλή απόδοση θορύβου ιονισμού κρούσης παρόμοια με τα υλικά πυριτίου χύδην.

Ο καινοτόμος ανιχνευτής φωτοδιόδου χιονοστιβάδας 1550 nm βοηθά στην ανάπτυξη συστημάτων LiDAR

Μια ομάδα ερευνητών στο Ηνωμένο Βασίλειο και τις Ηνωμένες Πολιτείες ανέπτυξε με επιτυχία για πρώτη φορά έναν νέο φωτοανιχνευτή APD εξαιρετικά υψηλής ευαισθησίας 1550 nm (φωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας), μια σημαντική ανακάλυψη που υπόσχεται να βελτιώσει σημαντικά την απόδοση των συστημάτων LiDAR και άλλων οπτοηλεκτρονικών εφαρμογών.

Τα νέα υλικά προσφέρουν βασικά πλεονεκτήματα

Το αποκορύφωμα αυτής της έρευνας είναι η καινοτόμος χρήση υλικών. Οι ερευνητές επέλεξαν το GaAsSb ως στρώμα απορρόφησης και το AlGaAsSb ως στρώμα πολλαπλασιασμού. Αυτός ο σχεδιασμός διαφέρει από τον παραδοσιακό InGaAs/InP και προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα:

1. Στρώμα απορρόφησης GaAsSb: Το GaAsSb έχει παρόμοιο συντελεστή απορρόφησης με το InGaAs και η μετάβαση από το στρώμα απορρόφησης GaAsSb στο AlGaAsSb (πολλαπλασιαστικό στρώμα) είναι ευκολότερη, μειώνοντας το φαινόμενο παγίδευσης και βελτιώνοντας την ταχύτητα και την απόδοση απορρόφησης της συσκευής.

2. Πολλαπλασιαστικό στρώμα AlGaAsSb: Το πολλαπλασιαστικό στρώμα AlGaAsSb είναι ανώτερο από το παραδοσιακό πολλαπλασιαστικό στρώμα InP και InAlAs σε απόδοση. Αυτό αντικατοπτρίζεται κυρίως στο υψηλό κέρδος σε θερμοκρασία δωματίου, το υψηλό εύρος ζώνης και τον εξαιρετικά χαμηλό υπερβολικό θόρυβο.

Με εξαιρετικούς δείκτες απόδοσης

Το νέοΦωτοανιχνευτής APD(ανιχνευτής φωτοδιόδου χιονοστιβάδας) προσφέρει επίσης σημαντικές βελτιώσεις στις μετρήσεις απόδοσης:

1. Υπερβολικά υψηλό κέρδος: Το εξαιρετικά υψηλό κέρδος των 278 επιτεύχθηκε σε θερμοκρασία δωματίου και πρόσφατα ο Δρ. Jin Xiao βελτίωσε τη βελτιστοποίηση και τη διαδικασία δομής και το μέγιστο κέρδος αυξήθηκε σε M=1212.

2. Πολύ χαμηλός θόρυβος: δείχνει πολύ χαμηλό υπερβολικό θόρυβο (F < 3, κέρδος M = 70; F<4, κέρδος M=100).

3. Υψηλή κβαντική απόδοση: κάτω από το μέγιστο κέρδος, η κβαντική απόδοση φτάνει το 5935,3%. Ισχυρή σταθερότητα θερμοκρασίας: η ευαισθησία διάσπασης σε χαμηλή θερμοκρασία είναι περίπου 11,83 mV/K.

Σχήμα 1 Υπερβολικός θόρυβος του APDσυσκευές φωτοανιχνευτώνσε σύγκριση με άλλους φωτοανιχνευτές APD

Ευρείες προοπτικές εφαρμογής

Αυτή η νέα APD έχει σημαντικές επιπτώσεις για τα συστήματα liDAR και τις εφαρμογές φωτονίων:

1. Βελτιωμένος λόγος σήματος προς θόρυβο: Τα χαρακτηριστικά υψηλού κέρδους και χαμηλού θορύβου βελτιώνουν σημαντικά τον λόγο σήματος προς θόρυβο, ο οποίος είναι κρίσιμος για εφαρμογές σε περιβάλλοντα με χαμηλή περιεκτικότητα σε φωτόνια, όπως η παρακολούθηση αερίων του θερμοκηπίου.

2. Ισχυρή συμβατότητα: Ο νέος φωτοανιχνευτής APD (φωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας) έχει σχεδιαστεί ώστε να είναι συμβατός με τις τρέχουσες πλατφόρμες οπτοηλεκτρονικής φωσφιδίου του ινδίου (InP), εξασφαλίζοντας απρόσκοπτη ενσωμάτωση με τα υπάρχοντα εμπορικά συστήματα επικοινωνιών.

3. Υψηλή λειτουργική απόδοση: Μπορεί να λειτουργήσει αποτελεσματικά σε θερμοκρασία δωματίου χωρίς πολύπλοκους μηχανισμούς ψύξης, απλοποιώντας την ανάπτυξη σε διάφορες πρακτικές εφαρμογές.

Η ανάπτυξη αυτού του νέου φωτοανιχνευτή SACM APD 1550 nm (φωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας) αποτελεί μια σημαντική ανακάλυψη στον τομέα. Αντιμετωπίζει βασικούς περιορισμούς που σχετίζονται με τον υπερβολικό θόρυβο και την αύξηση εύρους ζώνης στα παραδοσιακά σχέδια φωτοανιχνευτών APD (φωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας). Αυτή η καινοτομία αναμένεται να ενισχύσει τις δυνατότητες των συστημάτων liDAR, ειδικά σε μη επανδρωμένα συστήματα liDAR, καθώς και στις επικοινωνίες ελεύθερου χώρου.