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从雪崩增倍效应到二维材料:高性能红外光电检测器的发展

在近期发表于《Light: Science & Applications》的一篇论文中,波兰Military University of Technology的Martyniuk教授领导的团队以及中科院上海技术物理研究所的合作者,展示了基于红外的APD当前状态和未来发展。该论文涵盖了HgCdTe和AIIIBV 体材料系统,包括著名的“第三波”材料超晶格。

此外,该论文还介绍了用于高性能红外APD的新材料和结构,包括创新“第三波”二维材料,并提出实现高性能APD的策略。

雪崩倍增效应可用于检测低功率光信号甚至单光子,因为其内在的扩增机制适用于各个主要波段:近红外、短波红外、中波红外和长波红外辐射。应用于远距离军事和太空的先进激光雷达和武器系统,必须在各种大气条件下检测、识别和跟踪不同目标,这会导致光学系统中信号的明显衰减。

因此需要额外的放大器和系统来正确检测检测器阶段的信号。同时具有高带宽、高增益、高增益带宽乘积和低过剩噪声的雪崩光电二极管非常适合检测受抑制的光信号,例如用于自由空间光通信、夜视、光探测与测距、飞行时间、智能机器人,以及战场条件下的军事应用。

明显的趋势是转向光子量信息应用,如量子密钥分配。这些应用对检测器性能有严格要求,有别于典型APD的性能。因此,改进增益带宽乘积和降低过剩噪声一直是APD发展的关键目标。

降低过剩噪声的方法可分为三种策略。首先是选择拥有有利雪崩倍增属性的材料。其次是将雪崩层缩小到利用雪崩效应的非局域性从而大大降低过剩噪声。最后是广泛归类为影响电离工程,利用合理设计的异质结。

二维层状材料和范德华力斯(van der Waals)异质结构等“第三波”材料也可应用于雪崩倍增领域,包括单光子计数技术。过去十年关于二维光检测器的研究文献数量增长迅速,但这些材料因原子层厚度薄而吸收率低。利用雪崩倍增进行载流子倍增是制造高检测效率二维光检测器的有望方法。

与传统体材料比较,二维材料拥有许多突出优势,如机械柔韧性、强光物耦合、自缔化表面和可调闸电位,提供异质结构设计的灵活性。这些材料的雪崩系数与载流子传输方向有关。此外,在二维材料中不仅观察到传统的雪崩效应,也观察到弹道雪崩机制。

因此,研究具有低关键电场的创新材料对于实现高效电子/光电器件具重要意义。传统材料中的雪崩倍增受到高驱动电压的限制,而基于二维材料的APD可回避这一限制。

雪崩光子感测技术从体材料到低维材料的的方法、技术和应用路线图

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