Streszczenie: Podstawowa budowa i zasada działania fotodetektora lawinowego (Fotodetektor APD), analizuje się proces ewolucji struktury urządzenia, podsumowuje obecny stan badań i bada prospektywnie przyszły rozwój APD.
1. Wprowadzenie
Fotodetektor to urządzenie przetwarzające sygnały świetlne na sygnały elektryczne. wfotodetektor półprzewodnikowy, wygenerowany foton nośnik wzbudzony przez padający foton wchodzi do obwodu zewnętrznego pod przyłożonym napięciem polaryzacji i tworzy mierzalny fotoprąd. Nawet przy maksymalnej responsywności fotodioda PIN może wytworzyć co najwyżej parę par elektron-dziura, co jest urządzeniem bez wzmocnienia wewnętrznego. Aby uzyskać większą czułość, można zastosować fotodiodę lawinową (APD). Efekt wzmocnienia APD na fotoprąd jest oparty na efekcie zderzenia jonizacyjnego. W pewnych warunkach przyspieszone elektrony i dziury mogą uzyskać wystarczającą energię, aby zderzyć się z siatką i wytworzyć nową parę par elektron-dziura. Proces ten jest reakcją łańcuchową, w wyniku której para par elektron-dziura wygenerowana w wyniku absorpcji światła może wytworzyć dużą liczbę par elektron-dziura i utworzyć duży wtórny fotoprąd. Dlatego APD ma wysoką responsywność i wzmocnienie wewnętrzne, co poprawia stosunek sygnału do szumu urządzenia. APD będzie stosowane głównie w dalekobieżnych lub mniejszych systemach komunikacji światłowodowej z innymi ograniczeniami odbieranej mocy optycznej. Obecnie wielu ekspertów w dziedzinie urządzeń optycznych bardzo optymistycznie ocenia perspektywy APD i uważa, że badania nad APD są niezbędne do zwiększenia międzynarodowej konkurencyjności pokrewnych dziedzin.
2. Rozwój technicznyfotodetektor lawinowy(fotodetektor APD)
2.1 Materiały
(1)Fotodetektor Si
Technologia materiałów Si jest dojrzałą technologią, która jest szeroko stosowana w dziedzinie mikroelektroniki, jednak nie nadaje się do wytwarzania urządzeń w zakresie długości fal 1,31 mm i 1,55 mm, które są ogólnie akceptowane w dziedzinie komunikacji optycznej.
(2)Rz
Chociaż odpowiedź widmowa Ge APD jest odpowiednia dla wymagań niskich strat i niskiej dyspersji w transmisji światłowodowej, istnieją duże trudności w procesie przygotowania. Ponadto stosunek szybkości jonizacji elektronów i dziur Ge jest bliski () 1, dlatego trudno jest przygotować wysokowydajne urządzenia APD.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
Skuteczną metodą jest wybranie In0.53Ga0.47As jako warstwy pochłaniającej światło APD i InP jako warstwy powielającej. Szczyt absorpcji materiału In0.53Ga0.47As wynosi 1,65 mm, 1,31 mm, 1,55 mm, a długość fali wynosi około 104 cm-1, co jest obecnie preferowanym materiałem na warstwę absorpcyjną detektora światła.
(4)Fotodetektor InGaAs/Wfotodetektor
Wybierając InGaAsP jako warstwę pochłaniającą światło i InP jako warstwę powielającą, można przygotować APD o długości fali odpowiedzi 1-1,4 mm, wysokiej wydajności kwantowej, niskim prądzie ciemnym i dużym wzmocnieniu lawinowym. Wybierając różne składniki stopów, osiąga się najlepszą wydajność dla określonych długości fal.
(5)InGaAs/InAlAs
Materiał In0.52Al0.48As ma pasmo wzbronione (1,47eV) i nie absorbuje w zakresie długości fal 1,55mm. Istnieją dowody na to, że cienka warstwa epitaksjalna In0.52Al0.48As może uzyskać lepszą charakterystykę wzmocnienia niż InP jako warstwa multiplikatora pod warunkiem wtrysku czystego elektronu.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs i InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Szybkość jonizacji udarowej materiałów jest ważnym czynnikiem wpływającym na działanie APD. Wyniki pokazują, że szybkość jonizacji kolizyjnej warstwy powielającej można poprawić wprowadzając struktury supersieciowe InGaAs (P) /InAlAs i In (Al) GaAs/InAlAs. Wykorzystując strukturę supersieci, inżynieria pasmowa może sztucznie kontrolować asymetryczną nieciągłość krawędzi pasma między pasmem przewodnictwa a wartościami pasma walencyjnego i zapewnić, że nieciągłość pasma przewodnictwa jest znacznie większa niż nieciągłość pasma walencyjnego (ΔEc>>ΔEv). W porównaniu z materiałami sypkimi InGaAs, szybkość jonizacji elektronów w 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 udział energii dziury w szybkości jonizacji dziury (b). Zwiększa się stosunek (k) szybkości jonizacji elektronów do szybkości jonizacji dziur. Dlatego też, stosując struktury supersieciowe, można uzyskać produkt o dużym wzmocnieniu przepustowości (GBW) i niskim poziomie szumów. 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 wpływający na maksymalną reakcję jest ograniczony przez ciemny prąd, a nie szum mnożnika. W tej strukturze prąd ciemny jest spowodowany głównie efektem tunelowania warstwy odwiertu InGaAs z wąską przerwą wzbronioną, dlatego wprowadzenie czwartorzędowego stopu o szerokiej przerwie energetycznej, takiego jak InGaAsP lub InAlGaAs, zamiast InGaAs jako warstwy odwiertu struktury studni kwantowej może tłumić ciemny prąd.
Czas publikacji: 13 listopada 2023 r