Streszczenie: Podstawowa struktura i zasada działania fotodetektora lawinowego (Fotodetektor APD) przedstawiono, przeanalizowano proces ewolucji struktury urządzenia, podsumowano obecny stan badań i przeprowadzono prospektywne badania nad przyszłym rozwojem APD.
1. Wprowadzenie
Fotodetektor to urządzenie, które zamienia sygnały świetlne na sygnały elektryczne. Wfotodetektor półprzewodnikowyNośnik fotogenerowany wzbudzony przez padający foton wchodzi do obwodu zewnętrznego pod przyłożonym napięciem polaryzacji i tworzy mierzalny fotoprąd. Nawet przy maksymalnej czułości, fotodioda PIN może wytworzyć co najwyżej parę par elektron-dziura, co oznacza, że jest urządzeniem bez wzmocnienia wewnętrznego. Aby uzyskać większą czułość, można zastosować fotodiodę lawinową (APD). Efekt wzmacniający APD na fotoprąd opiera się na efekcie zderzenia jonizacji. W pewnych warunkach przyspieszone elektrony i dziury mogą uzyskać wystarczającą energię, aby zderzyć się z siecią i wytworzyć nową parę par elektron-dziura. Proces ten jest reakcją łańcuchową, dzięki której para par elektron-dziura wygenerowana przez absorpcję światła może wytworzyć dużą liczbę par elektron-dziura i utworzyć duży wtórny fotoprąd. Dlatego APD charakteryzuje się wysoką czułością i wzmocnieniem wewnętrznym, co poprawia stosunek sygnału do szumu urządzenia. Technologia APD będzie wykorzystywana głównie w dalekosiężnych lub mniejszych światłowodowych systemach komunikacyjnych z innymi ograniczeniami odbieranej mocy optycznej. Obecnie wielu ekspertów w dziedzinie urządzeń optycznych z dużym optymizmem patrzy na perspektywy technologii APD i uważa, że badania nad nią są niezbędne do zwiększenia międzynarodowej konkurencyjności pokrewnych dziedzin.
2. Rozwój technicznyfotodetektor lawinowy(Fotodetektor APD)
2.1 Materiały
(1)Fotodetektor krzemowy
Technologia materiałów krzemowych jest dojrzałą technologią, szeroko stosowaną w dziedzinie mikroelektroniki, jednak nie nadaje się do przygotowywania urządzeń o długości fali 1,31 mm i 1,55 mm, które są powszechnie akceptowane w dziedzinie komunikacji optycznej.
(2)Ge
Chociaż charakterystyka widmowa Ge APD jest odpowiednia do wymagań niskich strat i niskiej dyspersji w transmisji światłowodowej, proces jej przygotowania napotyka na duże trudności. Ponadto, stosunek szybkości jonizacji elektronów do dziur Ge jest bliski () 1, co utrudnia przygotowanie wysokowydajnych urządzeń APD.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
Skuteczną metodą jest wybór In0,53Ga0,47As jako warstwy absorpcyjnej APD i InP jako warstwy mnożnika. Maksimum absorpcyjne materiału In0,53Ga0,47As wynosi 1,65 mm, 1,31 mm, 1,55 mm, a jego długość fali ma wysoki współczynnik absorpcji około 104 cm-1, co jest obecnie preferowanym materiałem na warstwę absorpcyjną detektora światła.
(4)Fotodetektor InGaAs/Wfotodetektor
Wybierając InGaAsP jako warstwę absorbującą światło i InP jako warstwę mnożącą, można uzyskać APD o długości fali odpowiedzi 1-1,4 mm, wysokiej wydajności kwantowej, niskim prądzie ciemnym i wysokim wzmocnieniu lawinowym. Dobierając różne składniki stopu, uzyskuje się najlepszą wydajność dla określonych długości fal.
(5)InGaAs/InAlAs
Materiał In0,52Al0,48As ma przerwę pasmową (1,47 eV) i nie absorbuje promieniowania w zakresie długości fal 1,55 mm. Istnieją dowody na to, że cienka warstwa epitaksjalna In0,52Al0,48As może uzyskać lepsze charakterystyki wzmocnienia niż InP jako warstwa multiplikatora w warunkach czystego wtrysku elektronów.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs i InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Szybkość jonizacji uderzeniowej materiałów jest istotnym czynnikiem wpływającym na wydajność APD. Wyniki pokazują, że szybkość jonizacji kolizyjnej warstwy mnożnika można poprawić poprzez wprowadzenie struktur supersieciowych InGaAs(P)/InAlAs i In(Al)GaAs/InAlAs. Dzięki wykorzystaniu struktury supersieciowej, inżynieria pasma może sztucznie kontrolować asymetryczną nieciągłość krawędzi pasma między wartościami pasma przewodnictwa a pasma walencyjnego i zapewnić, że nieciągłość pasma przewodnictwa jest znacznie większa niż nieciągłość pasma walencyjnego (ΔEc>>ΔEv). W porównaniu z materiałami masowymi InGaAs, szybkość jonizacji elektronów studni kwantowej InGaAs/InAlAs (a) jest znacznie zwiększona, a elektrony i dziury zyskują dodatkową energię. Ze względu na ΔEc>>ΔEv można oczekiwać, że energia pozyskana przez elektrony zwiększa szybkość jonizacji elektronów znacznie bardziej niż udział energii dziur w szybkości jonizacji dziur (b). Wzrasta stosunek (k) szybkości jonizacji elektronowej do szybkości jonizacji dziurowej. Dlatego zastosowanie struktur supersieciowych pozwala uzyskać wysoki iloczyn wzmocnienia i szerokości pasma (GBW) oraz niski poziom szumów. Jednakże, taka struktura studni kwantowej InGaAs/InAlAs (APD), która może zwiększyć wartość k, jest trudna do zastosowania w odbiornikach optycznych. Wynika to z faktu, że współczynnik mnożnika wpływający na maksymalną czułość jest ograniczony przez prąd ciemny, a nie przez szum mnożnika. W tej strukturze prąd ciemny jest głównie spowodowany efektem tunelowania warstwy studni InGaAs o wąskiej przerwie energetycznej, więc wprowadzenie stopu czwartorzędowego o szerokiej przerwie energetycznej, takiego jak InGaAsP lub InAlGaAs, zamiast InGaAs jako warstwy studni struktury studni kwantowej, może tłumić prąd ciemny.
Czas publikacji: 13-11-2023