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 półprzewodnikowy, nośnik 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 jest urządzeniem bez wewnętrznego wzmocnienia. Aby uzyskać większą czułość, można użyć fotodiody lawinowej (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, tak że para par elektron-dziura wytworzona przez absorpcję światła może wytworzyć dużą liczbę par elektron-dziura i utworzyć duży wtórny fotoprąd. Dlatego APD ma wysoką czułość i wewnętrzne wzmocnienie, co poprawia stosunek sygnału do szumu urządzenia. APD będzie głównie używane w dalekosiężnych lub mniejszych światłowodowych systemach komunikacyjnych z innymi ograniczeniami odbieranej mocy optycznej. Obecnie wielu ekspertów od urządzeń optycznych jest bardzo optymistycznie nastawionych do perspektyw APD i uważa, że badania nad APD są konieczne, aby zwiększyć międzynarodową konkurencyjność pokrewnych dziedzin.
2. Rozwój technicznyfotodetektor lawinowy(Fotodetektor APD)
2.1 Materiały
(1)Fotodetektor krzemu
Technologia materiałów krzemowych jest dojrzałą technologią, szeroko stosowaną w dziedzinie mikroelektroniki, lecz nie nadaje się do przygotowywania urządzeń o zakresie długości fal 1,31 mm i 1,55 mm, które są powszechnie akceptowane w dziedzinie komunikacji optycznej.
(2)Ge
Chociaż widmowa odpowiedź Ge APD jest odpowiednia do wymagań niskiej straty i niskiej dyspersji w transmisji światłowodowej, istnieją duże trudności w procesie przygotowania. Ponadto stosunek szybkości jonizacji elektronów i dziur Ge jest bliski () 1, więc trudno jest przygotować urządzenia APD o wysokiej wydajności.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
To skuteczna metoda wyboru In0.53Ga0.47As jako warstwy absorpcyjnej światła APD i InP jako warstwy mnożnika. Szczyt absorpcyjny materiału In0.53Ga0.47As wynosi 1,65 mm, 1,31 mm, długość fali 1,55 mm wynosi około 104 cm-1 wysoki współczynnik absorpcji, co jest obecnie preferowanym materiałem dla warstwy absorpcyjnej detektora światła.
(4)Fotodetektor InGaAs/Wfotodetektor
Wybierając InGaAsP jako warstwę absorbującą światło i InP jako warstwę mnożącą, można przygotować APD o długości fali odpowiedzi 1-1,4 mm, wysokiej wydajności kwantowej, niskim prądzie ciemnym i wysokim wzmocnieniu lawinowym. Wybierając różne składniki stopu, osiąga się najlepszą wydajność dla określonych długości fal.
(5)InGaAs/InAlAs
Materiał In0,52Al0,48As ma przerwę pasmową (1,47eV) i nie absorbuje 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 mnożnika w warunkach czystego wtrysku elektronów.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs i InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Szybkość jonizacji uderzeniowej materiałów jest ważnym czynnikiem wpływającym na wydajność APD. Wyniki pokazują, że szybkość jonizacji kolizyjnej warstwy mnożnika można poprawić, wprowadzając struktury supersieci InGaAs (P) /InAlAs i In (Al) GaAs/InAlAs. Dzięki zastosowaniu struktury supersieci inżynieria pasma może sztucznie kontrolować asymetryczną nieciągłość krawędzi pasma między wartościami pasma przewodnictwa i pasma walencyjnego oraz 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 uzyskana przez elektrony zwiększa szybkość jonizacji elektronów znacznie bardziej niż wkład energii dziur do szybkości jonizacji dziur (b). Stosunek (k) szybkości jonizacji elektronowej do szybkości jonizacji dziurowej wzrasta. Dlatego wysoki iloczyn wzmocnienia i szerokości pasma (GBW) i niskie parametry szumu można uzyskać, stosując struktury supersieciowe. Jednak ta struktura studni kwantowej InGaAs/InAlAs APD, która może zwiększyć wartość k, jest trudna do zastosowania w odbiornikach optycznych. Dzieje się tak, ponieważ współczynnik mnożnika, który wpływa na maksymalną reakcję, jest ograniczony przez prąd ciemny, a nie przez szum mnożnika. W tej strukturze prąd ciemny jest głównie powodowany przez efekt tunelowania warstwy studni InGaAs z wąską przerwą pasmową, więc wprowadzenie stopu czwartorzędowego o szerokiej przerwie pasmowej, takiego jak InGaAsP lub InAlGaAs, zamiast InGaAs jako warstwy studni struktury studni kwantowej może tłumić prąd ciemny.
Czas publikacji: 13-11-2023