Jüngste Fortschritte inHochempfindliche Lawinenfotodetektoren
Hohe Empfindlichkeit bei Raumtemperatur (1550 nm)Lawinenfotodiodendetektor
Im Nahinfrarotbereich (SWIR) finden hochempfindliche und schnelle Lawinendioden breite Anwendung in der optoelektronischen Kommunikation und in LiDAR-Systemen. Die derzeitige, von InGaAs-APDs dominierte Nahinfrarot-Lawinenfotodiode (APD) ist jedoch durch das Rauschen der Stoßionisation in den traditionellen Multiplikatormaterialien Indiumphosphid (InP) und Indiumaluminiumarsen (InAlAs) eingeschränkt, was die Empfindlichkeit der Bauelemente deutlich reduziert. Daher suchen Forscher seit Jahren aktiv nach neuen Halbleitermaterialien, die mit den optoelektronischen Plattformprozessen von InGaAs und InP kompatibel sind und ein extrem niedriges Stoßionisationsrauschen aufweisen, vergleichbar mit Silizium-Bulkmaterialien.
Der innovative 1550-nm-Avalanche-Photodiodendetektor unterstützt die Entwicklung von LiDAR-Systemen.
Einem Forscherteam aus Großbritannien und den USA ist es erstmals gelungen, einen neuen, ultrahochempfindlichen 1550-nm-APD-Photodetektor zu entwickeln (Lawinenfotodetektor), ein Durchbruch, der die Leistung von LiDAR-Systemen und anderen optoelektronischen Anwendungen erheblich verbessern dürfte.
Neue Materialien bieten entscheidende Vorteile
Das Besondere an dieser Forschung ist die innovative Materialverwendung. Die Forscher wählten GaAsSb als Absorptionsschicht und AlGaAsSb als Multiplikatorschicht. Dieses Design unterscheidet sich vom herkömmlichen InGaAs/InP und bietet erhebliche Vorteile:
1. GaAsSb-Absorptionsschicht: GaAsSb hat einen ähnlichen Absorptionskoeffizienten wie InGaAs, und der Übergang von der GaAsSb-Absorptionsschicht zur AlGaAsSb-Multiplikatorschicht ist einfacher, wodurch der Trap-Effekt reduziert und die Geschwindigkeit und Absorptionseffizienz des Bauelements verbessert werden.
2. AlGaAsSb-Multiplikatorschicht: Die AlGaAsSb-Multiplikatorschicht ist den herkömmlichen InP- und InAlAs-Multiplikatorschichten hinsichtlich ihrer Leistung überlegen. Dies zeigt sich vor allem in der hohen Verstärkung bei Raumtemperatur, der hohen Bandbreite und dem extrem niedrigen Überschussrauschen.
Mit hervorragenden Leistungsindikatoren
Das neueAPD-Fotodetektor(Avalanche-Photodiodendetektor) bietet ebenfalls deutliche Verbesserungen bei den Leistungskennzahlen:
1. Extrem hohe Verstärkung: Die extrem hohe Verstärkung von 278 wurde bei Raumtemperatur erreicht, und vor kurzem verbesserte Dr. Jin Xiao die Strukturoptimierung und den Prozess, wodurch die maximale Verstärkung auf M=1212 erhöht wurde.
2. Sehr geringes Rauschen: weist ein sehr geringes Überschussrauschen auf (F < 3, Verstärkung M = 70; F < 4, Verstärkung M = 100).
3. Hohe Quanteneffizienz: Bei maximaler Verstärkung beträgt die Quanteneffizienz bis zu 5935,3 %. Hohe Temperaturstabilität: Die Durchbruchempfindlichkeit bei niedrigen Temperaturen liegt bei etwa 11,83 mV/K.
Abb. 1 Überschussrauschen der APDFotodetektorenim Vergleich zu anderen APD-Fotodetektoren
Breites Anwendungsspektrum
Diese neue APD hat wichtige Auswirkungen auf LiDAR-Systeme und Photonenanwendungen:
1. Verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis: Die hohe Verstärkung und die geringen Rauscheigenschaften verbessern das Signal-Rausch-Verhältnis erheblich, was für Anwendungen in photonenarmen Umgebungen, wie z. B. der Treibhausgasüberwachung, von entscheidender Bedeutung ist.
2. Hohe Kompatibilität: Der neue APD-Photodetektor (Avalanche-Photodetektor) ist so konzipiert, dass er mit aktuellen Indiumphosphid (InP)-optoelektronischen Plattformen kompatibel ist und somit eine nahtlose Integration in bestehende kommerzielle Kommunikationssysteme gewährleistet.
3. Hohe Betriebseffizienz: Es kann bei Raumtemperatur ohne aufwendige Kühlmechanismen effizient betrieben werden, was den Einsatz in verschiedenen praktischen Anwendungen vereinfacht.
Die Entwicklung dieses neuen 1550-nm-SACM-APD-Photodetektors (Avalanche-Photodetektor) stellt einen bedeutenden Durchbruch dar. Er behebt zentrale Einschränkungen herkömmlicher APD-Photodetektoren (Avalanche-Photodetektoren), die mit übermäßigem Rauschen und dem Produkt aus Verstärkung und Bandbreite verbunden sind. Diese Innovation dürfte die Leistungsfähigkeit von LiDAR-Systemen, insbesondere von unbemannten LiDAR-Systemen, sowie die Freiraumkommunikation deutlich verbessern.
Veröffentlichungsdatum: 13. Januar 2025