Abstrakt: Základná konštrukcia a princíp činnosti lavínového fotodetektora (APD fotodetektor), sú predstavené, analyzuje sa proces vývoja štruktúry zariadenia, sumarizuje sa súčasný stav výskumu a perspektívne sa študuje budúci vývoj APD.
1. Úvod
Fotodetektor je zariadenie, ktoré premieňa svetelné signály na elektrické signály. V apolovodičový fotodetektor, fotogenerovaný nosič excitovaný dopadajúcim fotónom vstupuje do vonkajšieho obvodu pod aplikovaným predpätím a vytvára merateľný fotoprúd. Aj pri maximálnej citlivosti môže PIN fotodióda produkovať maximálne pár párov elektrón-diera, čo je zariadenie bez vnútorného zisku. Pre väčšiu odozvu možno použiť lavínovú fotodiódu (APD). Zosilňovací účinok APD na fotoprúd je založený na efekte ionizačnej kolízie. Za určitých podmienok môžu zrýchlené elektróny a diery získať dostatok energie na to, aby sa zrazili s mriežkou a vytvorili nový pár párov elektrón-diera. Tento proces je reťazovou reakciou, takže pár párov elektrón-diera generovaný absorpciou svetla môže produkovať veľké množstvo párov elektrón-diera a vytvárať veľký sekundárny fotoprúd. Preto má APD vysokú odozvu a vnútorný zisk, čo zlepšuje pomer signálu k šumu zariadenia. APD sa bude používať hlavne v diaľkových alebo menších optických komunikačných systémoch s inými obmedzeniami na prijímaný optický výkon. V súčasnosti sú mnohí odborníci na optické zariadenia veľmi optimistickí, pokiaľ ide o vyhliadky APD, a veria, že výskum APD je potrebný na zvýšenie medzinárodnej konkurencieschopnosti príbuzných oblastí.
2. Technický vývojlavínový fotodetektor(APD fotodetektor)
2.1 Materiály
(1)Si fotodetektor
Technológia Si materiálov je vyspelá technológia, ktorá je široko používaná v oblasti mikroelektroniky, ale nie je vhodná na prípravu zariadení v rozsahu vlnových dĺžok 1,31 mm a 1,55 mm, ktoré sú všeobecne akceptované v oblasti optickej komunikácie.
(2) Ge
Aj keď je spektrálna odozva Ge APD vhodná pre požiadavky nízkych strát a nízkej disperzie pri prenose optických vlákien, v procese prípravy sú veľké ťažkosti. Okrem toho je pomer rýchlosti ionizácie elektrónov a dier Ge blízky () 1, takže je ťažké pripraviť vysokovýkonné APD zariadenia.
(3) In0,53Ga0,47As/InP
Je to efektívna metóda vybrať In0,53Ga0,47As ako vrstvu absorpcie svetla APD a InP ako vrstvu multiplikátora. Absorpčný vrchol materiálu In0,53Ga0,47As je 1,65 mm, 1,31 mm, vlnová dĺžka 1,55 mm je asi 104 cm-1 vysoký absorpčný koeficient, čo je v súčasnosti preferovaný materiál pre absorpčnú vrstvu detektora svetla.
(4)Fotodetektor InGaAs/Infotodetektor
Výberom InGaAsP ako svetlo absorbujúcej vrstvy a InP ako multiplikačnej vrstvy možno pripraviť APD s vlnovou dĺžkou odozvy 1-1,4 mm, vysokou kvantovou účinnosťou, nízkym temným prúdom a vysokým lavínovým ziskom. Výberom rôznych zliatinových komponentov sa dosiahne najlepší výkon pre špecifické vlnové dĺžky.
(5)InGaAs/InAlAs
Materiál In0,52Al0,48As má zakázané pásmo (1,47 eV) a neabsorbuje v rozsahu vlnových dĺžok 1,55 mm. Existujú dôkazy, že tenká In0,52Al0,48As epitaxná vrstva môže získať lepšie charakteristiky zosilnenia ako InP ako vrstva multiplikátora za podmienok čistého vstrekovania 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 kolíziovej ionizácie multiplikačnej vrstvy možno zlepšiť zavedením supermriežkových štruktúr InGaAs (P) / InAlAs a In (Al) GaAs / InAlAs. Použitím supermriežkovej štruktúry môže pásové inžinierstvo umelo kontrolovať diskontinuitu asymetrického okraja pásma medzi hodnotami vodivého pásma a valenčného pásma a zabezpečiť, že diskontinuita vodivého pásma je oveľa väčšia ako diskontinuita valenčného pásma (ΔEc>>ΔEv). V porovnaní so sypkými materiálmi InGaAs je rýchlosť ionizácie elektrónov v kvantovej jamke (a) InGaAs / InAlAs výrazne zvýšená a elektróny a diery získavajú ďalšiu energiu. V dôsledku ΔEc>>ΔEv možno očakávať, že energia získaná elektrónmi zvyšuje rýchlosť ionizácie elektrónov oveľa viac ako príspevok energie dier k rýchlosti ionizácie dier (b). Pomer (k) rýchlosti elektrónovej ionizácie k rýchlosti ionizácie dier sa zvyšuje. Aplikovaním supermriežkových štruktúr je teda možné získať produkt s vysokou šírkou pásma (GBW) a nízky šum. Avšak túto štruktúru kvantovej jamky InGaAs / InAlAs APD, ktorá môže zvýšiť hodnotu k, je ťažké aplikovať na optické prijímače. Je to preto, že multiplikačný faktor, ktorý ovplyvňuje maximálnu odozvu, je obmedzený temným prúdom, nie šumom multiplikátora. V tejto štruktúre je tmavý prúd spôsobený hlavne tunelovým efektom vrstvy studne InGaAs s úzkou zakázanou šírkou pásma, takže zavedenie kvartérnej zliatiny so širokým zakázaným pásmom, ako je InGaAsP alebo InAlGaAs, namiesto InGaAs ako vrstvy vrtu štruktúry kvantovej studne môže potlačiť temný prúd.
Čas odoslania: 13. novembra 2023