温室气体浓度的上升，尤其是甲烷和二氧化碳，正在推动全球气温上升并加剧气候危机。监测这些气体需要探测器在拓展短波红外（~2.4 μm，eSWIR）波段工作，以便覆盖甲烷（1.65 μm）和二氧化碳（2.05 μm）的波长。此前，英国谢菲尔德大学的科研团队利用新型锑化物雪崩光电二极管（APD）实现了近红外波段的高灵敏探测。
据麦姆斯咨询报道，近日，由英国谢菲尔德大学（University of Sheffield）John David教授、金晓博士与美国俄亥俄州立大学（The Ohio State University）Sanjay Krishina组成的科研团队开发出拓展短波红外波段的的高性能APD探测器（cutoff at 2.4 µm），为温室气体如甲烷和二氧化碳的高精度监测带来重大进展。该APD探测器基于InGaAs/GaAsSb二类超晶格（T2SL）吸收层和Al0.85Ga0.15AsSb倍增层的独立吸收和电荷倍增（SACM）结构创新设计（如图1），在室温下表现出优异的探测性能，实现了178倍的增益、3560%的量子效率，且噪声水平极低（如图2）。相关研究成果以“Low excess noise and high quantum efficiency avalanche photodiodes for beyond 2 µm wavelength detection”为题发表在Nature communication material期刊上。
图1 拓展短波红外SACM APD的设计及模拟
图2 拓展短波红外波段SACM APD的探测器特性
在拓展短波红外波段，传统的窄带隙光电探测器下会产生较高的暗电流，从而导致较大的噪声，限制了探测精度。例如，使用HgCdTe的探测器件往往需要在极低温（T=<100K）下运行以降低暗电流，这对应用带来诸多不便。而此次开发的新型APD采用了SACM结构，将吸收层与倍增层分离，有效降低了暗电流带来的噪声影响，从而实现了更高的信噪比，可在无需制冷条件下室温运行。
此外，研究人员还将该APD器件与其他高性能III-V器件的性能结果做了比较，该APD器件具有更高的有效增益，且高质量的外延生长大幅降低了体暗电流（如图3和图4）。得益于AlGaAsSb材料优秀的过剩噪音特性和碰撞电离性质，当倍增等于M=10时，过剩噪音只有F=1.65。这将显著提升探测器接收模组的灵敏度。同时，该器件的温度敏感性弱，也是四个器件中最优秀的，使接收端模组无需额外温度或者电压补偿系统。综合此APD器件各项性质，在尺寸、重量和功耗（Swap）都有一定的提升。SWaP优化对提升器件性能、便携性及续航力至关重要。
图3 该APD器件与其他高性能III-V拓展短波红外波段SACM APD的性能比较
图4 该APD器件与其他高性能III-V拓展短波红外波段SACM APD的暗电流比较
此外，该APD的独特结构使用了商业化的InP衬底，并结合了已成熟的材料生长技术，使得该器件具备了更高的成本效益和制造可行性。InP衬底的低成本和大面积生产能力使得这种探测器在未来有望实现大规模商业化，有助于更广泛地应用于气候变化监测、环境科学研究、工业排放控制等多个领域。
这种新型光电探测器的开发是温室气体监测技术的重要里程碑。其高灵敏度和低噪声特性将极大提升现有监测平台的探测精度，特别是在地面、航空和未来的空间任务中，实现对温室气体的更精确测量，有助于全球气候变化的应对和温室气体排放控制。
https://doi.org/10.1038/s43246-024-00627-9
温室气体浓度的上升，尤其是甲烷和二氧化碳，正在推动全球气温上升并加剧气候危机。监测这些气体需要探测器在拓展短波红外（~2.4 μm，eSWIR）波段工作，以便覆盖甲烷（1.65 μm）和二氧化碳（2.05 μm）的波长。此前，英国谢菲尔德大学的科研团队利用新型锑化物雪崩光电二极管（APD）实现了近红外波段的高灵敏探测。
据麦姆斯咨询报道，近日，由英国谢菲尔德大学（University of Sheffield）John David教授、金晓博士与美国俄亥俄州立大学（The Ohio State University）Sanjay Krishina组成的科研团队开发出拓展短波红外波段的的高性能APD探测器（cutoff at 2.4 µm），为温室气体如甲烷和二氧化碳的高精度监测带来重大进展。该APD探测器基于InGaAs/GaAsSb二类超晶格（T2SL）吸收层和Al0.85Ga0.15AsSb倍增层的独立吸收和电荷倍增（SACM）结构创新设计（如图1），在室温下表现出优异的探测性能，实现了178倍的增益、3560%的量子效率，且噪声水平极低（如图2）。相关研究成果以“Low excess noise and high quantum efficiency avalanche photodiodes for beyond 2 µm wavelength detection”为题发表在Nature communication material期刊上。
图1 拓展短波红外SACM APD的设计及模拟
图2 拓展短波红外波段SACM APD的探测器特性
在拓展短波红外波段，传统的窄带隙光电探测器下会产生较高的暗电流，从而导致较大的噪声，限制了探测精度。例如，使用HgCdTe的探测器件往往需要在极低温（T=<100K）下运行以降低暗电流，这对应用带来诸多不便。而此次开发的新型APD采用了SACM结构，将吸收层与倍增层分离，有效降低了暗电流带来的噪声影响，从而实现了更高的信噪比，可在无需制冷条件下室温运行。
此外，研究人员还将该APD器件与其他高性能III-V器件的性能结果做了比较，该APD器件具有更高的有效增益，且高质量的外延生长大幅降低了体暗电流（如图3和图4）。得益于AlGaAsSb材料优秀的过剩噪音特性和碰撞电离性质，当倍增等于M=10时，过剩噪音只有F=1.65。这将显著提升探测器接收模组的灵敏度。同时，该器件的温度敏感性弱，也是四个器件中最优秀的，使接收端模组无需额外温度或者电压补偿系统。综合此APD器件各项性质，在尺寸、重量和功耗（Swap）都有一定的提升。SWaP优化对提升器件性能、便携性及续航力至关重要。
图3 该APD器件与其他高性能III-V拓展短波红外波段SACM APD的性能比较
图4 该APD器件与其他高性能III-V拓展短波红外波段SACM APD的暗电流比较
此外，该APD的独特结构使用了商业化的InP衬底，并结合了已成熟的材料生长技术，使得该器件具备了更高的成本效益和制造可行性。InP衬底的低成本和大面积生产能力使得这种探测器在未来有望实现大规模商业化，有助于更广泛地应用于气候变化监测、环境科学研究、工业排放控制等多个领域。
这种新型光电探测器的开发是温室气体监测技术的重要里程碑。其高灵敏度和低噪声特性将极大提升现有监测平台的探测精度，特别是在地面、航空和未来的空间任务中，实现对温室气体的更精确测量，有助于全球气候变化的应对和温室气体排放控制。
https://doi.org/10.1038/s43246-024-00627-9
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