超灵敏光探测器采用阶梯效应

美国团队展示阶梯式雪崩光电二极管

德克萨斯大学奥斯汀分校和弗吉尼亚大学的工程师发明了一种新的光检测器件，可以比当前技术更准确地放大从远处物体反射回来的微弱信号，从而让自动驾驶汽车更全面地了解道路上发生的事情。

据称，这种基于 的新型雪崩光电二极管比其他光检测器更灵敏，因为它还消除了与探测过程相关的不一致性或噪声。这种噪音会导致系统错过信号并使自动驾驶车辆的乘客处于危险之中。

“自动驾驶汽车发出的激光信号会从物体上反射回来，告诉你自己有多远。没有多少光回来，所以如果你的探测器发出的噪音比进来的信号多，你什么也得不到，” 弗吉尼亚大学工程学院电气和计算机工程专业乔坎贝尔教授说。

使这款新器件脱颖而出的是它的阶梯式排列。它包括电子滚动的能量物理步骤，沿途倍增，并在它们移动时产生更强的电流以进行光检测。

2015 年，研究人员创建了基于 AlInAsSb/GaSb 的单步阶梯器件（Appl. Phys. Lett., vol. 108 Feb 2016. 中所述）。在《自然光子学》（Nature Photonics）中详细介绍的这一新发现中，他们首次展示了具有多个台阶的阶梯雪崩光电二极管。

“电子就像一块从楼梯上滚下来的大理石，”科克雷尔学院电气与计算机工程系教授Seth Bank说，他与Campbell共同领导了这项研究，Campbell是科克雷尔学院的前教授和德克萨斯大学奥斯汀分校的校友。 “每次弹珠滚下一个台阶，它都会掉下来撞到下一个。在我们的例子中，电子做同样的事情，但每次碰撞都会释放足够的能量来释放另一个电子。我们可以从一个电子开始，但是每一步脱落会使电子数量增加一倍：1、2、4、8，依此类推。”

据该团队称，新的像素大小的器件将适用于光探测和测距（激光雷达）接收器，这需要高分辨率的传感器来检测从远处物体反射的光信号。

增加阶梯可提高器件的灵敏度和一致性。并且每一步电子的不断倍增使来自探测器的电信号更加可靠，即使在弱光条件下也是如此。

 “乘法的随机性越小，你可以从背景中挑选出的信号就越弱。”Bank说， “例如，这可以让你通过自动驾驶汽车的激光雷达系统观察更远的距离。”

这种传感能力已经存在了几十年，但技术障碍阻碍了它的发展。Bank说，光电倍增管长期以来一直是这种传感形式的“圣杯”，但这项技术已经存在了 50 多年，并且使用了过时的照明组件和真空管。 1980 年代，发明家 Federico Capasso 首次构思了研究人员一直在研究的雪崩光电二极管技术。但是使之成为现实的工具和技术还远远不够。

Bank说，这一突破背后的科学来自一种新的材料生长方式。他们没有用随机分布的原子生长材料，而是创造了由相互堆叠的二元化合物组成的层状结构。

“这允许以一种非常简单的方式改变电子的能量分布，以创建Capasso在 80 年代初设想的结构，但不幸的是，无法合成具有所有必要特性的晶体，”Bank说.

该器件的另一个重要部分是它可以在室温下运行。今天，最灵敏的光探测器需要保持在零下数百度的温度下，这使得它们对于激光雷达等应用来说过于昂贵且不切实际。

该研究由美国陆军研究办公室 (ARO) 和国防高级研究计划局 (DARPA) 资助。研究人员通过 ARO 和 DARPA 获得资金，以继续改进他们的流程，为器件添加更多步骤。他们正在与一家半导体公司合作，将这项技术商业化。

工程师们还计划将他们的多级阶梯器件与他们去年制造的雪崩光电二极管相结合，该二极管对近红外光敏感，从而开辟了光纤通信和热成像等新应用。

““这应该让我们两全其美：对更大范围的颜色做出反应，对微弱信号更敏感，因为阶梯结构对自然产生的噪音放大更低。” Bank说。

参考文献

'Multistep staircase avalanche photodiodes with extremely low noise and deterministic amplification' by Stephen D. March et al; Nature Photonics (2021)