Elektriska och dataingenjörer vid University of Virginia och University of Texas-Austin har utvecklat en lavinfotodiod som uppnådde rekordprestanda och som har potential att förvandla nästa generations mörkerseende och ljusdetektions- och avståndsmottagare (LiDAR). För LiDAR, lagets låga ljud, två mikrometer lavinfotodiod möjliggör drift med högre effekt som är ögonsäker.

Det peer reviewed papper, "Lågbrus högtemperatur AlInAsSb/GaSb lavinfotodioder för 2-μm applikationer, " publicerades 18 maj, 2020, i Nature Photonics , en månatlig tidskrift med den bästa forskningen från alla områden av ljusgenerering, manipulation och upptäckt.

Detta genombrott kommer från ett långvarigt samarbete mellan Joe C. Campbell, Lucien Carr III professor i el- och datateknik vid UVA, och Seth R. Bank, Cullen Trust Professor vid UT-Austin. Andrew H. Jones, en 2020 Ph.D. examen med råd av Campbell, och Stephen D. March, en Ph.D. student i bankens forskningsgrupp, bidragit till forskningen. Teamets arbete finansierades av Defense Advanced Research Projects Agency och Army Research Office.

Teamet använde de nya optiska och elektriska egenskaperna hos en digital legering skapad i Banks Laboratory for Advanced Semiconductor Epitaxy. Bank använde molekylär strålepitaxi för att odla legeringen, består av aluminium, indium, arsenik och antimon. Legeringen kombinerar långvågskänslighet, ultralågt ljud, och designflexibiliteten som behövs för att uppnå låga mörka strömmar, vilket inte är tillgängligt med befintliga lågbrustekniker för lavinfotodioder.

"Vår förmåga att kontrollera kristalltillväxtprocessen ner till en atomskala gör det möjligt för oss att syntetisera kristaller som är förbjudna i naturen, samt designa dem för att samtidigt ha den idealiska kombinationen av grundläggande materialegenskaper som krävs för effektiv fotodetektion, " sa banken.

Teamets lavinfotodiod är en idealisk lösning för kompakta, högkänsliga LiDAR-mottagare. Många LiDAR-applikationer, som robotik, autonoma fordon, storområdesövervakning och terrängkartläggning, kräver högupplösta sensorer som kan upptäcka kraftigt dämpade optiska signaler som reflekteras från avlägsna objekt. Ögonsäkerhet har begränsat användningen av dessa nästa generations LiDAR-system, dock, eftersom den erforderliga högre lasereffekten innebär en ökad risk för ögonskador.

"Fönstret på 2 mikrometer är idealiskt för LiDAR-system eftersom det anses vara ögonsäkert och utökar detekteringsräckvidden." sa Campbell. "Jag kan föreställa mig att vår lavinfotodiod påverkar många nyckelteknologier som drar nytta av högkänsliga detektorer."

Detta arbete överförs till IQE för gjuteritjänster och Lockheed Martin för att utveckla fotodiodmatriser med avläsningskretsar. Framtida arbete vid de två universiteten kommer att koncentreras på att uppnå låg ljudnivå vid nästan rumstemperatur, att förlänga driftsvåglängderna längre in i det infraröda, och skjuta känsligheten till den enkla fotonnivån.