پیشرفت‌های اخیر در آشکارسازهای نوری بهمنی با حساسیت بالا

پیشرفت‌های اخیر درآشکارسازهای نوری بهمن با حساسیت بالا

حساسیت بالا در دمای اتاق ۱۵۵۰ نانومترآشکارساز فوتودیود بهمنی

در باند مادون قرمز نزدیک (SWIR)، دیودهای بهمنی با حساسیت بالا و سرعت بالا به طور گسترده در ارتباطات اپتوالکترونیکی و کاربردهای لیدار استفاده می‌شوند. با این حال، فوتودیود بهمنی (APD) فعلی نزدیک مادون قرمز که تحت سلطه دیود شکست بهمنی ایندیوم گالیوم آرسنیک (InGaAs APD) است، همیشه به دلیل نویز یونیزاسیون برخورد تصادفی مواد سنتی ناحیه ضرب‌کننده، فسفید ایندیوم (InP) و آرسنیک ایندیوم آلومینیوم (InAlAs)، محدود بوده است که منجر به کاهش قابل توجه حساسیت دستگاه شده است. در طول سال‌ها، بسیاری از محققان به طور فعال به دنبال مواد نیمه‌هادی جدیدی بوده‌اند که با فرآیندهای پلتفرم اپتوالکترونیکی InGaAs و InP سازگار باشند و عملکرد نویز یونیزاسیون با تأثیر بسیار کم، مشابه مواد سیلیکونی توده‌ای، داشته باشند.

آشکارساز فوتودیود بهمنی نوآورانه ۱۵۵۰ نانومتری به توسعه سیستم‌های لیدار کمک می‌کند.

تیمی از محققان در بریتانیا و ایالات متحده برای اولین بار با موفقیت یک آشکارساز نوری APD با حساسیت فوق العاده بالا ۱۵۵۰ نانومتر (APD) را توسعه داده‌اند.آشکارساز نوری بهمن) ، پیشرفتی که نویدبخش بهبود چشمگیر عملکرد سیستم‌های لیدار و سایر کاربردهای اپتوالکترونیکی است.

مواد جدید مزایای کلیدی ارائه می‌دهند

نکته برجسته این تحقیق، استفاده نوآورانه از مواد است. محققان GaAsSb را به عنوان لایه جذب و AlGaAsSb را به عنوان لایه ضرب کننده انتخاب کردند. این طراحی با InGaAs/InP سنتی متفاوت است و مزایای قابل توجهی را به همراه دارد:

۱. لایه جذب GaAsSb: GaAsSb ضریب جذب مشابهی با InGaAs دارد و انتقال از لایه جذب GaAsSb به AlGaAsSb (لایه ضرب‌کننده) آسان‌تر است، که باعث کاهش اثر تله و بهبود سرعت و راندمان جذب دستگاه می‌شود.

۲. لایه ضرب‌کننده AlGaAsSb: لایه ضرب‌کننده AlGaAsSb از نظر عملکرد نسبت به لایه ضرب‌کننده InP و InAlAs سنتی برتر است. این امر عمدتاً در بهره بالا در دمای اتاق، پهنای باند بالا و نویز اضافی بسیار کم منعکس می‌شود.

با شاخص‌های عملکرد عالی

جدیدآشکارساز نوری APD(آشکارساز فوتودیود بهمن) همچنین پیشرفت‌های قابل توجهی در معیارهای عملکرد ارائه می‌دهد:

۱. بهره فوق‌العاده بالا: بهره فوق‌العاده بالای ۲۷۸ در دمای اتاق حاصل شد و اخیراً دکتر جین شیائو بهینه‌سازی ساختار و فرآیند را بهبود بخشید و حداکثر بهره به M=1212 افزایش یافت.

۲. نویز بسیار کم: نویز اضافی بسیار کمی را نشان می‌دهد (F < ۳، بهره M = ۷۰؛ F < ۴، بهره M = ۱۰۰).

۳. بازده کوانتومی بالا: تحت حداکثر بهره، بازده کوانتومی به ۵۹۳۵.۳٪ می‌رسد. پایداری دمایی قوی: حساسیت به شکست در دمای پایین حدود ۱۱.۸۳ میلی‌ولت بر کلوین است.

شکل 1 نویز اضافی APDدستگاه‌های آشکارساز نوریدر مقایسه با سایر آشکارسازهای نوری APD

چشم‌اندازهای کاربرد گسترده

این APD جدید پیامدهای مهمی برای سیستم‌های لیدار و کاربردهای فوتون دارد:

۱. نسبت سیگنال به نویز بهبود یافته: ویژگی‌های بهره بالا و نویز پایین، نسبت سیگنال به نویز را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشند، که برای کاربردهایی در محیط‌های فقیر از نظر فوتون، مانند پایش گازهای گلخانه‌ای، بسیار مهم است.

۲. سازگاری قوی: آشکارساز نوری APD جدید (آشکارساز نوری بهمنی) به گونه‌ای طراحی شده است که با پلتفرم‌های اپتوالکترونیک ایندیوم فسفید (InP) فعلی سازگار باشد و ادغام یکپارچه با سیستم‌های ارتباطی تجاری موجود را تضمین کند.

۳. راندمان عملیاتی بالا: می‌تواند در دمای اتاق بدون مکانیسم‌های خنک‌کننده پیچیده، به طور مؤثر عمل کند و استقرار در کاربردهای عملی مختلف را ساده سازد.

توسعه این آشکارساز نوری جدید SACM APD با طول موج ۱۵۵۰ نانومتر (آشکارساز نوری بهمنی) نشان‌دهنده یک پیشرفت بزرگ در این زمینه است که محدودیت‌های کلیدی مرتبط با نویز اضافی و پهنای باند بهره محصولات در طراحی‌های سنتی آشکارساز نوری APD (آشکارساز نوری بهمنی) را برطرف می‌کند. انتظار می‌رود این نوآوری قابلیت‌های سیستم‌های لیدار، به ویژه در سیستم‌های لیدار بدون سرنشین، و همچنین ارتباطات فضای آزاد را افزایش دهد.