Fotodiody podczerwieni do lawin od materiałów sypkich do materiałów 2D

Efekt mnożenia lawinowego można wykorzystać do wykrywania sygnałów optycznych małej mocy, a nawet pojedynczych fotonów dzięki mechanizmowi wzmocnienia we wszystkich głównych zakresach: promieniowania podczerwonego o bliskiej długości fali (NIR), krótkiego (SWIR), średniego (MWIR) i długiego fali ( LWIR). Zaawansowane systemy radarów laserowych i broni stosowane w wojsku i przestrzeni kosmicznej dalekiego zasięgu muszą wykrywać, rozpoznawać i śledzić wiele celów w różnorodnych warunkach atmosferycznych, w tym w absorpcji przez CO, CO_dwa i H_dwaPary, które powodują znaczne tłumienie sygnału w układzie optycznym.

To tłumienie sygnału wyjściowego wymaga dodatkowego wzmacniacza wraz z systemem do prawidłowego wykrywania sygnału w stopniu detektora. Urządzenia oparte na fotodiodach lawinowych (APD) charakteryzujące się dużą szerokością pasma (BW) i wzmocnieniem (M) przy produkcie o dużym wzmocnieniu pasma (GBW) i niskim nadmiarze szumu [F(M)] jednocześnie nadają się do wykrywania tłumionych sygnałów optycznych, na przykład w zastosowaniach dalekiego zasięgu, takich jak komunikacja optyczna w wolnej przestrzeni (FSO), noktowizor, wykrywanie światła i określanie odległości (LIDAR/LADAR), pomiar czasu przelotu (ToF), inteligentna robotyka i wreszcie w warunkach pola walki (zastosowania wojskowe).

Główną przyczyną tego trendu jest niewątpliwie przejście do zastosowań optycznych informacji kwantowych, takich jak kwantowa dystrybucja klucza (QKD). Zastosowania te nakładają surowe wymagania na działanie detektora, które odbiegają od wydajności typowych, dobrze znanych APD. Dlatego też głównym celem postępu ODA była poprawa redukcji GBW i F(M).

Metody tłumienia F(M) można podzielić na trzy taktyki. Początkowe podejście mogłoby polegać na wyborze materiału (w tym materiałów „trzeciej fali” i ich technologii) o korzystnych właściwościach multiplikacji. Następnie F(M) można zasadniczo ograniczyć poprzez skalowanie warstwy lawiny w celu wykorzystania nielokalnego efektu efektu mnożenia. Ostatnią metodę można ogólnie sklasyfikować jako inżynierię jonizacji udarowej (I2E), wykorzystującą odpowiednio zaprojektowane heterozłącza.

Członek grupy „trzeciej fali” – dwuwymiarowe (2D) materiały warstwowe i ich heterostruktury van der Waalsa (vdW) mogą znaleźć także zastosowanie w dziedzinie multiplikacji lawin, włączając technologie zliczania pojedynczych fotonów. W ostatniej dekadzie nastąpił spektakularny wzrost liczby badań związanych z obiecującymi fotodetektorami 2D, jednakże materiały te charakteryzują się niską absorpcją wynikającą z ich drobnego atomizmu. Jonizacja uderzeniowa prowadząca do zwielokrotnienia nośnika to obiecujące podejście do wytwarzania fotodetektorów 2D o wysokiej skuteczności wykrywania.

W porównaniu ze standardową objętością materiały 2D wykazują wiele wyjątkowych możliwości, takich jak elastyczność mechaniczna, silne sprzęganie materii świetlnej, powierzchnie samopasywacyjne i poziom Fermiego z regulacją bramki, zapewniając elastyczność w projektowaniu heterostruktur. Materiały te charakteryzują się różnymi współczynnikami jonizacji uderzenia w zależności od kierunku transportu nośnika. Co więcej, w rodzinie materiałów 2D zaobserwowano nie tylko konwencjonalny efekt jonizacji uderzeniowej, ale także balistyczny mechanizm lawinowy.

W związku z tym badania nad innowacyjnymi materiałami charakteryzującymi się niskim polem elektrycznym krytycznym dla zwielokrotniania lawin są istotne dla uzyskania energooszczędnych urządzeń elektrycznych/fotoelektrycznych. Mechanizm zwielokrotniania lawiny w konwencjonalnych materiałach został ograniczony ze względu na wysokie napięcie sterujące, które mogłoby zostać ominięte przez APD bazujące na materiałach 2D.

W nowym artykule opublikowanym w Światło: nauka i zastosowania, zespół naukowców pod kierownictwem profesora Piotra Martyniuka z Instytutu Fizyki Stosowanej Wojskowej Akademii Technicznej w Polsce i współautorów z Państwowego Kluczowego Laboratorium Fizyki Podczerwieni Instytutu Fizyki Technicznej w Szanghaju Chińskiej Akademii Nauk w Chinach wykazał obecny stan i przyszły rozwój APD opartych na podczerwieni. W artykule omówiono układy materiałowe oparte na HgCdTe i AIIIBV, w tym członków znanej rodziny materiałów „trzeciej fali” – supersieci.

Ponadto przedstawiono bieżący postęp w zakresie nowych materiałów i architektur dla wysokowydajnych APD IR, obejmujących innowacyjne materiały 2D „trzeciej fali”, oraz przedstawiono strategie osiągania APD o wysokiej wydajności.