Elektro- en computeringenieurs van de Universiteit van Virginia en de Universiteit van Texas-Austin hebben een lawinefotodiode ontwikkeld die recordprestaties behaalde en het potentieel heeft om de volgende generatie nachtzichtbeeldvormings- en lichtdetectie- en bereikontvangers (LiDAR) te transformeren. Voor LiDAR, het geluidsarme team, lawinefotodiode van twee micrometer maakt een krachtigere werking mogelijk die oogveilig is.

Het peer-reviewed artikel, "Low-noise hoge temperatuur AlInAsSb/GaSb lawine fotodiodes voor 2-μm toepassingen, " werd gepubliceerd op 18 mei, 2020, in Natuurfotonica , een maandelijks tijdschrift met het beste onderzoek op alle gebieden van lichtgeneratie, manipulatie en detectie.

Deze doorbraak komt voort uit een langdurige samenwerking tussen Joe C. Campbell, Lucien Carr III Hoogleraar elektrische en computertechniek aan de UVA, en Seth R. Bank, Cullen Trust Professor aan de UT-Austin. Andrew H. Jones, een 2020 Ph.D. afgestudeerd op advies van Campbell, en Stephen D. March, een doctoraat student in de onderzoeksgroep van Bank, bijgedragen aan het onderzoek. Het werk van het team werd gefinancierd door het Defense Advanced Research Projects Agency en het Army Research Office.

Het team gebruikte de nieuwe optische en elektrische eigenschappen van een digitale legering die is gemaakt in Bank's Laboratory for Advanced Semiconductor Epitaxy. Bank gebruikte moleculaire bundelepitaxie om de legering te laten groeien, samengesteld uit aluminium, indium, arseen en antimoon. De legering combineert gevoeligheid op lange golflengte, ultra-lage ruis, en de ontwerpflexibiliteit die nodig is om lage donkerstromen te bereiken, die niet beschikbaar is met bestaande low-noise lawine fotodiode materiaaltechnologieën.

"Ons vermogen om het kristalgroeiproces tot op de schaal van één atoom te beheersen, stelt ons in staat om kristallen te synthetiseren die in de natuur verboden zijn, en ze zo te ontwerpen dat ze tegelijkertijd de ideale combinatie van fundamentele materiaaleigenschappen bezitten die nodig zijn voor efficiënte fotodetectie, ' zei Bank.

De lawinefotodiode van het team is een ideale oplossing voor compacte, hooggevoelige LiDAR-ontvangers. Veel LiDAR-toepassingen, zoals robotica, autonome voertuigen, wide-area surveillance en terreinkartering, vereisen sensoren met een hoge resolutie die sterk verzwakte optische signalen kunnen detecteren die worden gereflecteerd door verre objecten. Oogveiligheid heeft de acceptatie van deze LiDAR-systemen van de volgende generatie beperkt, echter, omdat het vereiste hogere laservermogen een verhoogd risico op oogbeschadiging met zich meebrengt.

"Het venster van 2 micrometer is ideaal voor LiDAR-systemen omdat het als oogveilig wordt beschouwd en het detectiebereik vergroot." zei Campbell. "Ik kan me voorstellen dat onze lawinefotodiode invloed heeft op tal van belangrijke technologieën die profiteren van zeer gevoelige detectoren."

Dit werk wordt overgedragen aan IQE voor gieterijdiensten en Lockheed Martin om fotodiode-arrays met uitleescircuits te ontwikkelen. Toekomstige werkzaamheden aan de twee universiteiten zullen zich concentreren op het bereiken van een geluidsarme werking bij bijna kamertemperatuur, het uitbreiden van de werkende golflengten verder in het infrarood, en de gevoeligheid naar het enkele fotonniveau te duwen.