Progrès récents dansphotodétecteurs à avalanche haute sensibilité
haute sensibilité à température ambiante 1550 nmdétecteur à photodiode à avalanche
Dans le proche infrarouge (SWIR), les diodes à avalanche haute sensibilité et haute vitesse sont largement utilisées dans les communications optoélectroniques et les applications LiDAR. Cependant, les photodiodes à avalanche (APD) actuelles pour le proche infrarouge, principalement les diodes à avalanche en indium-gallium-arsenic (APD InGaAs), ont toujours été limitées par le bruit d'ionisation par collisions aléatoires des matériaux traditionnels de la région multiplicatrice, le phosphure d'indium (InP) et l'arsenic d'indium-aluminium (InAlAs), ce qui entraîne une réduction significative de la sensibilité du dispositif. Depuis plusieurs années, de nombreux chercheurs s'intéressent activement à de nouveaux matériaux semi-conducteurs compatibles avec les procédés de fabrication des plateformes optoélectroniques InGaAs et InP et présentant un bruit d'ionisation extrêmement faible, comparable à celui du silicium massif.
Le détecteur innovant à photodiode à avalanche de 1550 nm contribue au développement des systèmes LiDAR.
Une équipe de chercheurs du Royaume-Uni et des États-Unis a développé avec succès, pour la première fois, un nouveau photodétecteur APD à ultra-haute sensibilité de 1550 nm (photodétecteur d'avalanche), une avancée majeure qui promet d'améliorer considérablement les performances des systèmes LiDAR et d'autres applications optoélectroniques.
Les nouveaux matériaux offrent des avantages clés
Le point fort de cette recherche réside dans l'utilisation novatrice des matériaux. Les chercheurs ont choisi le GaAsSb comme couche absorbante et l'AlGaAsSb comme couche multiplicatrice. Cette conception diffère des systèmes InGaAs/InP traditionnels et présente des avantages significatifs :
1. Couche d'absorption GaAsSb : GaAsSb a un coefficient d'absorption similaire à celui de InGaAs, et la transition de la couche d'absorption GaAsSb à AlGaAsSb (couche multiplicatrice) est plus facile, réduisant l'effet de piège et améliorant la vitesse et l'efficacité d'absorption du dispositif.
2. Couche multiplicatrice AlGaAsSb : La couche multiplicatrice AlGaAsSb offre des performances supérieures aux couches multiplicatrices InP et InAlAs traditionnelles. Cela se traduit principalement par un gain élevé à température ambiante, une large bande passante et un bruit de fond extrêmement faible.
Avec d'excellents indicateurs de performance
Le nouveauphotodétecteur APD(détecteur à photodiode à avalanche) offre également des améliorations significatives en termes de performances :
1. Gain ultra-élevé : Un gain ultra-élevé de 278 a été atteint à température ambiante, et récemment le Dr Jin Xiao a amélioré l'optimisation de la structure et du processus, et le gain maximal a été augmenté à M=1212.
2. Très faible bruit : présente un très faible bruit excessif (F < 3, gain M = 70 ; F < 4, gain M = 100).
3. Rendement quantique élevé : à gain maximal, le rendement quantique atteint 5 935,3 %. Forte stabilité thermique : la sensibilité au claquage à basse température est d’environ 11,83 mV/K.
Figure 1. Bruit excessif de l'APDdispositifs photodétecteurscomparé à d'autres photodétecteurs APD
perspectives d'application étendues
Cette nouvelle APD a des implications importantes pour les systèmes LiDAR et les applications photoniques :
1. Rapport signal/bruit amélioré : Les caractéristiques de gain élevé et de faible bruit améliorent considérablement le rapport signal/bruit, ce qui est essentiel pour les applications dans des environnements pauvres en photons, comme la surveillance des gaz à effet de serre.
2. Forte compatibilité : Le nouveau photodétecteur APD (photodétecteur à avalanche) est conçu pour être compatible avec les plateformes optoélectroniques actuelles en phosphure d'indium (InP), assurant une intégration transparente avec les systèmes de communication commerciaux existants.
3. Haute efficacité opérationnelle : Il peut fonctionner efficacement à température ambiante sans mécanismes de refroidissement complexes, ce qui simplifie son déploiement dans diverses applications pratiques.
Le développement de ce nouveau photodétecteur à avalanche SACM de 1550 nm représente une avancée majeure dans le domaine. Il résout les principales limitations liées au bruit excessif et au produit gain-bande passante des photodétecteurs à avalanche traditionnels. Cette innovation devrait améliorer les performances des systèmes LiDAR, notamment des systèmes LiDAR autonomes, ainsi que les communications en espace libre.
Date de publication : 13 janvier 2025