Abstrakt: Základná štruktúra a princíp činnosti lavínového fotodetektora (APD fotodetektor), je analyzovaný proces vývoja štruktúry zariadenia, je zhrnutý súčasný stav výskumu a je prospektívne študovaný budúci vývoj APD.
1. Úvod
Fotodetektor je zariadenie, ktoré premieňa svetelné signály na elektrické signály. Vpolovodičový fotodetektorFotogenerovaný nosič excitovaný dopadajúcim fotónom vstupuje do externého obvodu pod aplikovaným predpätím a vytvára merateľný fotoprúd. Aj pri maximálnej odozve dokáže PIN fotodióda vytvoriť maximálne jeden pár elektrón-dier, čo je zariadenie bez vnútorného zosilnenia. Pre väčšiu odozvu je možné použiť lavínovú fotodiódu (APD). Zosilňovací účinok APD na fotoprúd je založený na ionizačnom zrážkovom efekte. Za určitých podmienok môžu urýchlené elektróny a diery získať dostatok energie na zrážku s mriežkou a vytvoriť nový pár elektrón-dierových párov. Tento proces je reťazová reakcia, takže pár elektrón-dierových párov generovaný absorpciou svetla môže vytvoriť veľký počet elektrón-dierových párov a vytvoriť veľký sekundárny fotoprúd. Preto má APD vysokú odozvu a vnútorný zisk, čo zlepšuje pomer signálu k šumu zariadenia. APD sa bude používať hlavne v systémoch optickej komunikácie na dlhé vzdialenosti alebo v menších optických vláknach s inými obmedzeniami prijímaného optického výkonu. V súčasnosti je mnoho odborníkov na optické zariadenia veľmi optimistických, pokiaľ ide o vyhliadky APD, a veria, že výskum APD je nevyhnutný na zvýšenie medzinárodnej konkurencieschopnosti súvisiacich oblastí.
2. Technický rozvojlavínový fotodetektor(APD fotodetektor)
2.1 Materiály
(1)Si fotodetektor
Technológia kremíkových materiálov je vyspelá technológia, ktorá sa široko používa v oblasti mikroelektroniky, ale nie je vhodná na prípravu zariadení s vlnovými dĺžkami 1,31 mm a 1,55 mm, ktoré sú všeobecne akceptované v oblasti optickej komunikácie.
(2)Ge
Hoci spektrálna odozva Ge APD je vhodná pre požiadavky na nízke straty a nízku disperziu pri prenose optickými vláknami, proces prípravy je veľmi náročný. Okrem toho je pomer rýchlosti ionizácie elektrónov a dier Ge blízky ()1, takže je ťažké pripraviť vysokovýkonné APD zariadenia.
(3) In0,53Ga0,47As/InP
Účinnou metódou je výber In0,53Ga0,47As ako vrstvy absorpcie svetla APD a InP ako multiplikačnej vrstvy. Absorpčný pík materiálu In0,53Ga0,47As je 1,65 mm, 1,31 mm a 1,55 mm s vysokým absorpčným koeficientom približne 104 cm-1, čo je v súčasnosti preferovaný materiál pre absorpčnú vrstvu detektora svetla.
(4)InGaAs fotodetektor/Vfotodetektor
Výberom InGaAsP ako vrstvy absorbujúcej svetlo a InP ako multiplikačnej vrstvy je možné pripraviť APD s vlnovou dĺžkou odozvy 1 – 1,4 mm, vysokou kvantovou účinnosťou, nízkym tmavým prúdom a vysokým lavínovým zosilnením. Výberom rôznych zliatinových komponentov sa dosahuje najlepší výkon pre špecifické vlnové dĺžky.
(5) InGaAs/InAlAs
Materiál In0,52Al0,48As má pásmovú medzeru (1,47 eV) a neabsorbuje v rozsahu vlnových dĺžok 1,55 mm. Existujú dôkazy, že tenká epitaxná vrstva In0,52Al0,48As môže dosiahnuť lepšie charakteristiky zosilnenia ako InP ako multiplikačná vrstva za podmienok čistej injekcie elektrónov.
(6) InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs a InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Rýchlosť nárazovej ionizácie materiálov je dôležitým faktorom ovplyvňujúcim výkon APD. Výsledky ukazujú, že rýchlosť zrážkovej ionizácie multiplikačnej vrstvy je možné zlepšiť zavedením supermriežkových štruktúr InGaAs (P) /InAlAs a In (Al) GaAs/InAlAs. Použitím supermriežkovej štruktúry môže pásové inžinierstvo umelo kontrolovať asymetrickú diskontinuitu okraja pásma medzi hodnotami vodivostného pásma a valenčného pásma a zabezpečiť, aby diskontinuita vodivostného pásma bola oveľa väčšia ako diskontinuita valenčného pásma (ΔEc>>ΔEv). V porovnaní s objemovými materiálmi InGaAs sa rýchlosť kvantovej jamy elektrónovej ionizácie InGaAs/InAlAs (a) výrazne zvyšuje a elektróny a diery získavajú dodatočnú energiu. V dôsledku ΔEc>>ΔEv sa dá očakávať, že energia získaná elektrónmi zvyšuje rýchlosť ionizácie elektrónov oveľa viac ako príspevok energie diery k rýchlosti ionizácie dier (b). Pomer (k) rýchlosti ionizácie elektrónov k rýchlosti ionizácie dier sa zvyšuje. Preto je možné dosiahnuť vysoký súčin zisku a šírky pásma (GBW) a nízky šum použitím supermriežkových štruktúr. Avšak tento APD s kvantovou jamou InGaAs/InAlAs, ktorý môže zvýšiť hodnotu k, je ťažké aplikovať na optické prijímače. Je to preto, že multiplikačný faktor, ktorý ovplyvňuje maximálnu citlivosť, je obmedzený tmavým prúdom, nie multiplikačným šumom. V tejto štruktúre je tmavý prúd spôsobený hlavne tunelovým efektom vrstvy jamy InGaAs s úzkou medzerou pásma, takže zavedenie kvartérnej zliatiny so širokou medzerou pásma, ako je InGaAsP alebo InAlGaAs, namiesto InGaAs ako vrstvy jamy kvantovej jamy môže potlačiť tmavý prúd.
Čas uverejnenia: 13. novembra 2023