Jüngste Fortschritte inhochempfindliche Lawinenphotodetektoren
Raumtemperatur, hohe Empfindlichkeit 1550 nmLawinenphotodiodendetektor
Im Nahinfrarotbereich (SWIR) werden hochempfindliche Hochgeschwindigkeits-Avalanche-Dioden häufig in der optoelektronischen Kommunikation und in LiDAR-Anwendungen eingesetzt. Die aktuelle Nahinfrarot-Avalanche-Photodiode (APD), die vorwiegend auf Indium-Gallium-Arsen-Lawinendurchbruchdioden (InGaAs-APDs) basiert, war jedoch stets durch das zufällige Kollisionsionisationsrauschen traditioneller Vervielfacherbereichsmaterialien, Indiumphosphid (InP) und Indiumaluminiumarsen (InAlAs), eingeschränkt, was zu einer deutlichen Reduzierung der Empfindlichkeit des Bauelements führte. Seit Jahren suchen viele Forscher aktiv nach neuen Halbleitermaterialien, die mit den optoelektronischen Plattformprozessen von InGaAs und InP kompatibel sind und ein extrem geringes Stoßionisationsrauschen aufweisen, das mit dem von massiven Siliziummaterialien vergleichbar ist.
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-Fotodetektor zu entwickeln (Lawinenphotodetektor), ein Durchbruch, der eine erhebliche Verbesserung der Leistung von LiDAR-Systemen und anderen optoelektronischen Anwendungen verspricht.
Neue Materialien bieten entscheidende Vorteile
Das Highlight dieser Forschung ist der innovative Materialeinsatz. 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 zu AlGaAsSb (Multiplikatorschicht) ist einfacher, wodurch der Trap-Effekt reduziert und die Geschwindigkeit und Absorptionseffizienz des Geräts verbessert wird.
2. AlGaAsSb-Multiplikatorschicht: Die AlGaAsSb-Multiplikatorschicht ist herkömmlichen InP- und InAlAs-Multiplikatorschichten in ihrer Leistung überlegen. Dies spiegelt sich vor allem in der hohen Verstärkung bei Raumtemperatur, der hohen Bandbreite und dem extrem geringen Rauschen wider.
Mit hervorragenden Leistungsindikatoren
Das neueAPD-Fotodetektor(Avalanche-Photodiodendetektor) bietet auch erhebliche Verbesserungen bei den Leistungsmetriken:
1. Ultrahohe Verstärkung: Die ultrahohe Verstärkung von 278 wurde bei Raumtemperatur erreicht, und vor Kurzem verbesserte Dr. Jin Xiao die Strukturoptimierung und den Prozess, und die maximale Verstärkung wurde auf M=1212 erhöht.
2. Sehr geringes Rauschen: zeigt sehr geringes überschüssiges Rauschen (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 beträgt etwa 11,83 mV/K.
Abb. 1 Übermäßiges Rauschen der APDFotodetektorgeräteim Vergleich zu anderen APD-Fotodetektoren
Breite Anwendungsaussichten
Dieser 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 beispielsweise der Überwachung von Treibhausgasen, von entscheidender Bedeutung ist.
2. Hohe Kompatibilität: Der neue APD-Fotodetektor (Avalanche-Fotodetektor) ist mit aktuellen optoelektronischen Plattformen auf Indiumphosphid-Basis (InP) kompatibel und gewährleistet so eine nahtlose Integration in bestehende kommerzielle Kommunikationssysteme.
3. Hohe Betriebseffizienz: Es kann bei Raumtemperatur ohne komplexe Kühlmechanismen effizient betrieben werden, was den Einsatz in verschiedenen praktischen Anwendungen vereinfacht.
Die Entwicklung dieses neuen 1550 nm SACM APD-Fotodetektors (Avalanche-Fotodetektor) stellt einen bedeutenden Durchbruch auf diesem Gebiet dar. Er behebt wesentliche Einschränkungen, die mit übermäßigem Rauschen und der Bandbreitenverstärkung herkömmlicher APD-Fotodetektoren (Avalanche-Fotodetektoren) verbunden sind. Diese Innovation dürfte die Leistungsfähigkeit von LiDAR-Systemen, insbesondere unbemannter LiDAR-Systeme, sowie der Freiraumkommunikation verbessern.
Veröffentlichungszeit: 13. Januar 2025