Fotodetektory i długości fal odcięcia

Fotodetektoryi długości fal odcięcia

W artykule tym skupiono się na materiałach i zasadach działania fotodetektorów (w szczególności na mechanizmie odpowiedzi opartym na teorii pasm), a także na kluczowych parametrach i scenariuszach zastosowań różnych materiałów półprzewodnikowych.
1. Zasada działania: Fotodetektor działa w oparciu o zjawisko fotoelektryczne. Padające fotony muszą nieść wystarczającą energię (większą niż szerokość przerwy energetycznej Eg materiału), aby wzbudzić elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, tworząc wykrywalny sygnał elektryczny. Energia fotonów jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali, dlatego detektor ma „długość fali odcięcia” (λ c) – maksymalną długość fali, przy której może reagować, powyżej której nie jest w stanie efektywnie reagować. Długość fali odcięcia można oszacować za pomocą wzoru λ c ≈ 1240/Eg (nm), gdzie Eg jest mierzone w eV.
2. Kluczowe materiały półprzewodnikowe i ich właściwości:
Krzem (Si): szerokość przerwy energetycznej około 1,12 eV, długość fali odcięcia około 1107 nm. Nadaje się do detekcji fal krótkich, takich jak 850 nm, powszechnie stosowany w połączeniach światłowodowych wielomodowych krótkiego zasięgu (np. w centrach danych).
Arsenek galu (GaAs): szerokość przerwy energetycznej 1,42 eV, długość fali odcięcia około 873 nm. Nadaje się do pasma długości fali 850 nm i może być zintegrowany ze źródłami światła VCSEL z tego samego materiału na jednym chipie.
Arsenek indu i galu (InGaAs): Szerokość przerwy energetycznej można regulować w zakresie 0,36–1,42 eV, a długość fali odcięcia wynosi 873–3542 nm. Jest to główny materiał detekcyjny dla okien komunikacyjnych światłowodowych 1310 nm i 1550 nm, ale wymaga podłoża InP i jest trudny do integracji z układami krzemowymi.
German (Ge): o szerokości przerwy energetycznej około 0,66 eV i długości fali granicznej około 1879 nm. Może on obejmować zakres od 1550 nm do 1625 nm (pasmo L) i jest kompatybilny z podłożami krzemowymi, co czyni go realnym rozwiązaniem rozszerzającym odpowiedź na pasma długie.
Stop krzemu i germanu (taki jak Si0,5Ge0,5): szerokość przerwy energetycznej około 0,96 eV, długość fali odcięcia około 1292 nm. Domieszkowanie germanu krzemem pozwala na wydłużenie długości fali odpowiedzi do dłuższych pasm na podłożu krzemowym.
3. Powiązanie scenariuszy aplikacji:
Pasmo 850 nm:Fotodetektory krzemowelub można stosować fotodetektory GaAs.
Pasmo 1310/1550 nm:Fotodetektory InGaAsUżywane są głównie fotodetektory z czystego germanu lub krzemowego stopu germanu. Fotodetektory te mogą również pokryć ten zakres i mają potencjalne zalety w integracji opartej na krzemie.

Ogólnie rzecz biorąc, poprzez podstawowe koncepcje teorii pasm i długości fali odcięcia, dokonano systematycznego przeglądu charakterystyk zastosowań i zakresu długości fal różnych materiałów półprzewodnikowych w fotodetektorach, a także wskazano na ścisły związek między wyborem materiału, oknem długości fali komunikacji światłowodowej i kosztem procesu integracji.