ความก้าวหน้าล่าสุดในด้านโฟโตดีเทคเตอร์แบบอะวาแลนซ์ที่มีความไวสูง

ความก้าวหน้าล่าสุดในโฟโตดีเทคเตอร์แบบอะวาแลนซ์ที่มีความไวสูง

ความไวสูงที่อุณหภูมิห้อง 1550 นาโนเมตรเครื่องตรวจจับโฟโตไดโอดแบบถล่ม

ในย่านอินฟราเรดใกล้ (SWIR) ไดโอดอะวาแลนซ์ที่มีความไวสูงและความเร็วสูงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการสื่อสารด้วยแสงและแอปพลิเคชัน LiDAR อย่างไรก็ตาม ไดโอดอะวาแลนซ์โฟโตไดโอด (APD) ในย่านอินฟราเรดใกล้ในปัจจุบัน ซึ่งส่วนใหญ่เป็นไดโอดอะวาแลนซ์เบรกดาวน์อินเดียมแกลเลียมอาร์เซนิก (InGaAs APD) มักถูกจำกัดด้วยสัญญาณรบกวนจากการแตกตัวเป็นไอออนแบบสุ่มของวัสดุในบริเวณตัวคูณแบบดั้งเดิม เช่น อินเดียมฟอสไฟด์ (InP) และอินเดียมอะลูมิเนียมอาร์เซนิก (InAlAs) ส่งผลให้ความไวของอุปกรณ์ลดลงอย่างมาก ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา นักวิจัยจำนวนมากได้ค้นหาวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ใหม่ๆ ที่เข้ากันได้กับกระบวนการผลิตแพลตฟอร์มออปโตอิเล็กทรอนิกส์ InGaAs และ InP และมีประสิทธิภาพด้านสัญญาณรบกวนจากการแตกตัวเป็นไอออนต่ำมากคล้ายกับวัสดุซิลิคอนแบบดั้งเดิม

ตัวตรวจจับโฟโตไดโอดแบบอะวาแลนซ์ 1550 นาโนเมตรที่เป็นนวัตกรรมใหม่นี้ ช่วยในการพัฒนาระบบ LiDAR

ทีมวิจัยจากสหราชอาณาจักรและสหรัฐอเมริกาประสบความสำเร็จในการพัฒนาโฟโตดีเทคเตอร์ APD ที่มีความไวสูงเป็นพิเศษที่ 1550 นาโนเมตรเป็นครั้งแรก (เครื่องตรวจจับแสงถล่มนับเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญที่จะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ LiDAR และแอปพลิเคชันทางด้านอิเล็กโทรออปติกอื่นๆ ได้อย่างมาก

วัสดุใหม่มีข้อดีที่สำคัญหลายประการ

จุดเด่นของการวิจัยนี้อยู่ที่การใช้วัสดุอย่างสร้างสรรค์ นักวิจัยเลือกใช้ GaAsSb เป็นชั้นดูดซับและ AlGaAsSb เป็นชั้นตัวคูณ การออกแบบนี้แตกต่างจาก InGaAs/InP แบบดั้งเดิมและนำมาซึ่งข้อดีที่สำคัญหลายประการ:

1. ชั้นดูดซับ GaAsSb: GaAsSb มีค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับใกล้เคียงกับ InGaAs และการเปลี่ยนจากชั้นดูดซับ GaAsSb ไปยัง AlGaAsSb (ชั้นตัวคูณ) ทำได้ง่ายกว่า ช่วยลดผลกระทบจากกับดัก และปรับปรุงความเร็วและประสิทธิภาพการดูดซับของอุปกรณ์

2. ชั้นตัวคูณ AlGaAsSb: ชั้นตัวคูณ AlGaAsSb มีประสิทธิภาพเหนือกว่าชั้นตัวคูณ InP และ InAlAs แบบดั้งเดิม โดยเห็นได้ชัดจากอัตราขยายสูงที่อุณหภูมิห้อง แบนด์วิดท์สูง และสัญญาณรบกวนส่วนเกินต่ำมาก

ด้วยตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม

ใหม่โฟโตดีเทคเตอร์ APD(ตัวตรวจจับโฟโตไดโอดแบบอะวาแลนซ์) ยังให้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด:

1. อัตราขยายสูงพิเศษ: อัตราขยายสูงพิเศษที่ 278 สามารถทำได้ที่อุณหภูมิห้อง และเมื่อเร็ว ๆ นี้ ดร. จิน เซียว ได้ปรับปรุงโครงสร้างและกระบวนการผลิตให้ดียิ่งขึ้น ทำให้อัตราขยายสูงสุดเพิ่มขึ้นเป็น M=1212

2. สัญญาณรบกวนต่ำมาก: แสดงสัญญาณรบกวนส่วนเกินต่ำมาก (F < 3, อัตราขยาย M = 70; F < 4, อัตราขยาย M = 100)

3. ประสิทธิภาพควอนตัมสูง: ภายใต้การขยายสัญญาณสูงสุด ประสิทธิภาพควอนตัมสูงถึง 5935.3% เสถียรภาพทางอุณหภูมิสูง: ความไวต่อการแตกตัวที่อุณหภูมิต่ำอยู่ที่ประมาณ 11.83 mV/K

รูปที่ 1 สัญญาณรบกวนส่วนเกินของ APDอุปกรณ์ตรวจจับแสงเมื่อเปรียบเทียบกับโฟโตดีเทคเตอร์ APD อื่นๆ

โอกาสในการใช้งานที่หลากหลาย

APD ใหม่นี้มีนัยสำคัญอย่างยิ่งต่อระบบ LiDAR และการใช้งานด้านโฟตอน:

1. อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่ดีขึ้น: คุณลักษณะที่มีอัตราขยายสูงและสัญญาณรบกวนต่ำช่วยปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนได้อย่างมาก ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีโฟตอนน้อย เช่น การตรวจสอบก๊าซเรือนกระจก

2. ความเข้ากันได้สูง: โฟโตดีเทคเตอร์ APD (อะวาแลนซ์โฟโตดีเทคเตอร์) รุ่นใหม่ได้รับการออกแบบให้เข้ากันได้กับแพลตฟอร์มออปโตอิเล็กทรอนิกส์อินเดียมฟอสไฟด์ (InP) ในปัจจุบัน ทำให้สามารถบูรณาการเข้ากับระบบสื่อสารเชิงพาณิชย์ที่มีอยู่ได้อย่างราบรื่น

3. ประสิทธิภาพการทำงานสูง: สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิห้องโดยไม่ต้องใช้กลไกการระบายความร้อนที่ซับซ้อน ทำให้ง่ายต่อการใช้งานในแอปพลิเคชันต่างๆ

การพัฒนาโฟโตดีเทคเตอร์แบบ APD (Avalanche Photodetector) SACM 1550 นาโนเมตรใหม่นี้ ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในสาขานี้ ซึ่งช่วยแก้ไขข้อจำกัดสำคัญที่เกี่ยวข้องกับสัญญาณรบกวนส่วนเกินและผลคูณของแบนด์วิดท์เกนในดีไซน์โฟโตดีเทคเตอร์แบบ APD ดั้งเดิม นวัตกรรมนี้คาดว่าจะช่วยเพิ่มขีดความสามารถของระบบ LiDAR โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบ LiDAR ไร้คนขับ รวมถึงการสื่อสารในพื้นที่ว่างเปล่า