Abstrakt: Základní struktura a princip činnosti lavinového fotodetektoru (APD fotodetektor), 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. Vpolovodičový fotodetektorFotogenerovaný nosič excitovaný dopadajícím fotonem vstupuje do externího obvodu pod aplikovaným předpětím a vytváří měřitelný fotoproud. I při maximální citlivosti může PIN fotodioda vytvořit maximálně pouze pár elektron-děrových párů, což je zařízení bez vnitřního zesílení. Pro větší citlivost lze použít lavinovou fotodiodu (APD). Zesilovací účinek APD na fotoproud je založen na ionizačním srážkovém efektu. Za určitých podmínek mohou urychlené elektrony a díry získat dostatek energie ke srážce s mřížkou a vytvořit nový pár elektron-děrových párů. Tento proces je řetězová reakce, takže pár elektron-děrových párů generovaný absorpcí světla může produkovat velké množství elektron-děrových párů a tvořit velký sekundární fotoproud. APD má proto vysokou citlivost a vnitřní zesílení, což zlepšuje poměr signálu k šumu zařízení. APD se bude používat hlavně v systémech optické komunikace na dlouhé vzdálenosti nebo menších vzdáleností s dalšími omezeními přijímaného optického výkonu. V současné době je mnoho odborníků na optická zařízení velmi optimistických ohledně vyhlídek APD a věří, že výzkum APD je nezbytný pro zvýšení mezinárodní konkurenceschopnosti souvisejících oborů.
2. Technický rozvojlavinový fotodetektor(APD fotodetektor)
2.1 Materiály
(1)Si fotodetektor
Technologie křemíkových materiálů je vyspělá technologie, která se široce používá v oblasti mikroelektroniky, ale není vhodná pro přípravu zařízení v rozsahu vlnových délek 1,31 mm a 1,55 mm, které jsou obecně akceptovány v oblasti optické komunikace.
(2)Ge
Přestože spektrální odezva Ge APD je vhodná pro požadavky na nízké ztráty a nízkou disperzi při přenosu optickými vlákny, existují velké obtíže v procesu přípravy. Kromě toho je poměr rychlosti ionizace elektronů a děr Ge blízký ()1, takže je obtížné připravit vysoce výkonná APD zařízení.
(3) In0,53Ga0,47As/InP
Efektivní metodou je výběr In0.53Ga0.47As jako vrstvy absorpce světla v APD a InP jako multiplikační vrstvy. Absorpční vrchol materiálu In0.53Ga0.47As je 1,65 mm, 1,31 mm a 1,55 mm, což má vysoký absorpční koeficient přibližně 104 cm-1, což je v současnosti preferovaný materiál pro absorpční vrstvu detektoru světla.
(4)InGaAs fotodetektor/Vfotodetektor
Výběrem InGaAsP jako vrstvy absorbující světlo 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 zesílením. Výběrem různých složek slitiny se dosahuje nejlepšího výkonu pro specifické vlnové délky.
(5) InGaAs/InAlAs
Materiál In0,52Al0,48As má šířku zakázaného pásma (1,47 eV) a neabsorbuje v rozsahu vlnových délek 1,55 mm. Existují důkazy, že tenká epitaxní vrstva In0,52Al0,48As může dosáhnout lepších charakteristik zesílení než InP jako multiplikační vrstva za podmínek čisté elektronové injekce.
(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 srážkové ionizace multiplikační vrstvy lze zlepšit zavedením supermřížkových struktur InGaAs (P) /InAlAs a In (Al) GaAs/InAlAs. Použitím supermřížkové struktury může pásové inženýrství uměle řídit asymetrickou diskontinuitu okraje pásu mezi hodnotami vodivostního pásu a valenčního pásu a zajistit, aby diskontinuita vodivostního pásu byla mnohem větší než diskontinuita valenčního pásu (ΔEc>>ΔEv). Ve srovnání s objemovými materiály InGaAs se rychlost kvantové ionizace elektronů InGaAs/InAlAs (a) výrazně zvyšuje a elektrony a díry získávají dodatečnou energii. Vzhledem k ΔEc>>ΔEv lze očekávat, že energie získaná elektrony zvyšuje rychlost ionizace elektronů mnohem více než příspěvek energie děr k rychlosti ionizace děr (b). Poměr (k) rychlosti ionizace elektronů k rychlosti ionizace děr se zvyšuje. Použitím supermřížkových struktur lze tedy dosáhnout vysokého součinu zisku a šířky pásma (GBW) a nízkého šumu. Tento APD s kvantovou jámou InGaAs/InAlAs, který může zvýšit hodnotu k, je však obtížné aplikovat na optické přijímače. Je to proto, že multiplikační faktor, který ovlivňuje maximální citlivost, je omezen temným proudem, nikoli multiplikačním šumem. V této struktuře je temný proud způsoben hlavně tunelovým efektem vrstvy jámy InGaAs s úzkou pásmovou mezerou, takže zavedení kvartérní slitiny s širokou pásmovou mezerou, jako je InGaAsP nebo InAlGaAs, namísto InGaAs jako vrstvy jámy kvantové jámy může temný proud potlačit.
Čas zveřejnění: 13. listopadu 2023