Les ingénieurs électriciens et informaticiens de l'Université de Virginie et de l'Université du Texas-Austin ont développé une photodiode à avalanche qui a atteint des performances record et a le potentiel de transformer la prochaine génération d'imagerie de vision nocturne et de récepteurs de détection et de télémétrie par la lumière (LiDAR). Pour LiDAR, le faible niveau sonore de l'équipe, la photodiode à avalanche de deux micromètres permet un fonctionnement à puissance plus élevée et sans danger pour les yeux.

L'article revu par les pairs, « Photodiodes à avalanche AlInAsSb/GaSb à faible bruit et haute température pour les applications de 2 μm, " a été publié le 18 mai, 2020, dans Photonique de la nature , un journal mensuel des meilleures recherches dans tous les domaines de la génération de lumière, manipulation et détection.

Cette percée est le fruit d'une collaboration de longue date entre Joe C. Campbell, Lucien Carr III Professeur de génie électrique et informatique à l'UVA, et Seth R. Bank, Professeur Cullen Trust à UT-Austin. Andrew H. Jones, un doctorat en 2020 diplômé conseillé par Campbell, et Stephen D. March, un doctorat étudiant au groupe de recherche de la Banque, contribué à la recherche. Le travail de l'équipe a été financé par la Defense Advanced Research Projects Agency et le Army Research Office.

L'équipe a utilisé les nouvelles caractéristiques optiques et électriques d'un alliage numérique créé dans le laboratoire d'épitaxie avancée des semi-conducteurs de la Banque. Bank a utilisé l'épitaxie par faisceau moléculaire pour faire croître l'alliage, composé d'aluminium, indium, l'arsenic et l'antimoine. L'alliage combine une sensibilité aux grandes longueurs d'onde, ultra-faible bruit, et la flexibilité de conception nécessaire pour obtenir de faibles courants d'obscurité, qui n'est pas disponible avec les technologies existantes de matériaux de photodiodes à avalanche à faible bruit.

"Notre capacité à contrôler le processus de croissance cristalline jusqu'à l'échelle de l'atome unique nous permet de synthétiser des cristaux qui sont interdits dans la nature, ainsi que de les concevoir pour posséder simultanément la combinaison idéale des propriétés fondamentales des matériaux nécessaires à une photodétection efficace, ", a déclaré la Banque.

La photodiode à avalanche de l'équipe est une solution idéale pour les récepteurs LiDAR haute sensibilité. De nombreuses applications LiDAR, comme la robotique, véhicules autonomes, surveillance étendue et cartographie du terrain, nécessitent des capteurs à haute résolution capables de détecter des signaux optiques fortement atténués réfléchis par des objets distants. La sécurité des yeux a limité l'adoption de ces systèmes LiDAR de nouvelle génération, cependant, car la puissance laser plus élevée requise pose un risque accru de lésions oculaires.

"La fenêtre de 2 micromètres est idéale pour les systèmes LiDAR car elle est considérée comme sûre pour les yeux et étend la portée de détection." a dit Campbell. "Je peux imaginer que notre photodiode à avalanche ait un impact sur de nombreuses technologies clés qui bénéficient de détecteurs à haute sensibilité."

Ce travail est transféré à IQE pour les services de fonderie et à Lockheed Martin pour développer des matrices de photodiodes avec des circuits de lecture. Les travaux futurs dans les deux universités se concentreront sur la réalisation d'un fonctionnement silencieux à des températures proches de la pièce, étendre les longueurs d'onde de fonctionnement plus loin dans l'infrarouge, et en poussant la sensibilité au niveau du photon unique.