Abstrakt: Základní konstrukce a princip činnosti lavinového fotodetektoru (APD fotodetektor) jsou představeny, je analyzován proces vývoje struktury zařízení, je shrnut současný stav výzkumu a je prospektivně studován budoucí vývoj APD.
1. Úvod
Fotodetektor je zařízení, které převádí světelné signály na elektrické signály. V apolovodičový fotodetektor, fotogenerovaný nosič excitovaný dopadajícím fotonem vstupuje do vnějšího obvodu pod aplikovaným předpětím a tvoří měřitelný fotoproud. I při maximální citlivosti může PIN fotodioda vytvořit maximálně pár párů elektron-díra, což je zařízení bez vnitřního zisku. Pro větší odezvu lze použít lavinové fotodiody (APD). Zesilovací účinek APD na fotoproud je založen na efektu ionizační kolize. Za určitých podmínek mohou urychlené elektrony a díry získat dostatek energie, aby se srazily s mřížkou a vytvořily nový pár párů elektron-díra. Tento proces je řetězová reakce, takže pár párů elektron-díra generovaný absorpcí světla může produkovat velké množství párů elektron-díra a tvořit velký sekundární fotoproud. Proto má APD vysokou odezvu a vnitřní zisk, což zlepšuje poměr signálu k šumu zařízení. APD se bude používat hlavně v dálkových nebo menších optických komunikačních systémech s dalšími omezeními přijímaného optického výkonu. V současné době je mnoho odborníků na optická zařízení velmi optimističtí ohledně vyhlídek APD a věří, že výzkum APD je nezbytný pro zvýšení mezinárodní konkurenceschopnosti příbuzných oborů.
2. Technický vývojlavinový fotodetektor(APD fotodetektor)
2.1 Materiály
(1)Si fotodetektor
Technologie Si materiálů je vyspělá technologie, která je široce používána v oblasti mikroelektroniky, ale není vhodná pro přípravu zařízení v rozsahu vlnových délek 1,31 mm a 1,55 mm, které jsou obecně přijímány v oblasti optické komunikace.
(2) Ge
Přestože je spektrální odezva Ge APD vhodná pro požadavky na nízkou ztrátu a nízkou disperzi v přenosu optických vláken, existují velké potíže v procesu přípravy. Poměr rychlosti ionizace elektronů a děr Ge se navíc blíží () 1, takže je obtížné připravit vysoce výkonná zařízení APD.
(3) In0,53Ga0,47As/InP
Je to účinná metoda vybrat In0,53Ga0,47As jako vrstvu absorbující světlo APD a InP jako vrstvu multiplikátoru. Absorpční pík materiálu In0,53Ga0,47As je 1,65 mm, 1,31 mm, vlnová délka 1,55 mm je asi 104 cm-1 vysoký absorpční koeficient, což je v současnosti preferovaný materiál pro absorpční vrstvu detektoru světla.
(4)Fotodetektor InGaAs/Vfotodetektor
Výběrem InGaAsP jako světlo absorbující vrstvy a InP jako multiplikační vrstvy lze připravit APD s vlnovou délkou odezvy 1-1,4 mm, vysokou kvantovou účinností, nízkým temným proudem a vysokým lavinovým ziskem. Výběrem různých slitinových komponent je dosaženo nejlepšího výkonu pro konkrétní vlnové délky.
(5)InGaAs/InAlAs
Materiál In0,52Al0,48As má zakázané pásmo (1,47 eV) a neabsorbuje v rozsahu vlnových délek 1,55 mm. Existují důkazy, že tenká In0,52Al0,48As epitaxní vrstva může získat lepší ziskové charakteristiky než InP jako multiplikátorová vrstva za podmínek čisté injekce elektronů.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs a InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Rychlost nárazové ionizace materiálů je důležitým faktorem ovlivňujícím výkon APD. Výsledky ukazují, že rychlost kolizní ionizace multiplikační vrstvy může být zlepšena zavedením supermřížkových struktur InGaAs (P)/InAlAs a In (Al) GaAs/InAlAs. Použitím supermřížkové struktury může pásové inženýrství uměle řídit diskontinuitu okraje asymetrického pásma mezi hodnotami vodivostního pásma a valenčního pásma a zajistit, že diskontinuita vodivostního pásu je mnohem větší než diskontinuita valenčního pásma (ΔEc>>ΔEv). Ve srovnání se sypkými materiály InGaAs je rychlost ionizace elektronů kvantové studny (a) InGaAs/InAlAs výrazně zvýšena a elektrony a díry získávají energii navíc. Vzhledem k ΔEc>>ΔEv lze očekávat, že energie získaná elektrony zvyšuje rychlost elektronové ionizace mnohem více než příspěvek energie díry k rychlosti ionizace díry (b). Poměr (k) rychlosti elektronové ionizace k rychlosti ionizace díry se zvyšuje. Použitím supermřížkových struktur lze tedy dosáhnout součinu šířky pásma s vysokým ziskem (GBW) a nízkého šumu. Tuto strukturu kvantové studny InGaAs/InAlAs APD, která může zvýšit hodnotu k, je však obtížné aplikovat na optické přijímače. Je to proto, že multiplikační faktor, který ovlivňuje maximální odezvu, je omezen temným proudem, nikoli šumem násobiče. V této struktuře je temný proud způsoben hlavně tunelovacím efektem vrstvy studny InGaAs s úzkým zakázaným pásmem, takže místo InGaAs jako vrstvy vrtu je zavedena kvartérní slitina s širokopásmovou mezerou, jako je InGaAsP nebo InAlGaAs struktury kvantové studny může potlačit temný proud.
Čas odeslání: 13. listopadu 2023