Sažetak: Osnovna struktura i princip rada lavinskog fotodetektora (APD fotodetektor), analizira se proces evolucije strukture uređaja, sažima se trenutni status istraživanja i prospektivno se proučava budući razvoj APD-a.
1. Uvod
Fotodetektor je uređaj koji pretvara svjetlosne signale u električne signale. Upoluvodički fotodetektor, fotogenerirani nosač pobuđen upadnim fotonom ulazi u vanjski krug pod primijenjenim naponom prednapona i formira mjerljivu fotostruju. Čak i pri maksimalnoj odzivnosti, PIN fotodioda može proizvesti najviše samo par parova elektron-šupljina, što je uređaj bez unutarnjeg pojačanja. Za veću odzivnost može se koristiti lavinska fotodioda (APD). Učinak pojačanja APD-a na fotostruju temelji se na učinku ionizacijskog sudara. Pod određenim uvjetima, ubrzani elektroni i šupljine mogu dobiti dovoljno energije za sudaranje s rešetkom kako bi stvorili novi par parova elektron-šupljina. Ovaj proces je lančana reakcija, tako da par parova elektron-šupljina generiran apsorpcijom svjetlosti može proizvesti veliki broj parova elektron-šupljina i formirati veliku sekundarnu fotostruju. Stoga, APD ima visoku odzivnost i unutarnje pojačanje, što poboljšava omjer signala i šuma uređaja. APD će se uglavnom koristiti u komunikacijskim sustavima s optičkim vlaknima na velike udaljenosti ili manjim s drugim ograničenjima primljene optičke snage. Trenutno su mnogi stručnjaci za optičke uređaje vrlo optimistični u pogledu izgleda APD-a i vjeruju da je istraživanje APD-a potrebno za povećanje međunarodne konkurentnosti srodnih područja.
2. Tehnički razvojfotodetektor lavina(APD fotodetektor)
2.1 Materijali
(1)Si fotodetektor
Tehnologija silicijskih materijala je zrela tehnologija koja se široko koristi u području mikroelektronike, ali nije prikladna za izradu uređaja u rasponu valnih duljina od 1,31 mm i 1,55 mm koji su općenito prihvaćeni u području optičke komunikacije.
(2)Ge
Iako je spektralni odziv Ge APD-a prikladan za zahtjeve niskih gubitaka i niske disperzije u prijenosu kroz optička vlakna, postoje velike poteškoće u procesu pripreme. Osim toga, omjer brzine ionizacije elektrona i rupica Ge-a je blizu ()1, pa je teško pripremiti visokoučinkovite APD uređaje.
(3) In0,53Ga0,47As/InP
Učinkovita je metoda odabir In0.53Ga0.47As kao sloja za apsorpciju svjetlosti APD-a i InP kao sloja za umnožavanje. Apsorpcijski vrh materijala In0.53Ga0.47As je 1,65 mm, 1,31 mm, valna duljina 1,55 mm ima visoki koeficijent apsorpcije od oko 104 cm-1, što je trenutno preferirani materijal za sloj za apsorpciju svjetlosti detektora.
(4)InGaAs fotodetektor/Ufotodetektor
Odabirom InGaAsP kao sloja koji apsorbira svjetlost i InP kao sloja umnožavanja, može se pripremiti APD s valnom duljinom odziva od 1-1,4 mm, visokom kvantnom učinkovitošću, niskom tamnom strujom i visokim lavinskim pojačanjem. Odabirom različitih komponenti legure postižu se najbolje performanse za određene valne duljine.
(5) InGaAs/InAlAs
Materijal In0.52Al0.48As ima zabranjenu zonu (1.47eV) i ne apsorbira u rasponu valnih duljina od 1.55mm. Postoje dokazi da tanki epitaksijalni sloj In0.52Al0.48As može postići bolje karakteristike pojačanja od InP kao multiplikatorski sloj pod uvjetima čiste injekcije elektrona.
(6) InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs i InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Brzina udarne ionizacije materijala važan je čimbenik koji utječe na performanse APD-a. Rezultati pokazuju da se brzina kolizijske ionizacije multiplikacijskog sloja može poboljšati uvođenjem superrešetkastih struktura InGaAs (P) /InAlAs i In (Al) GaAs/InAlAs. Korištenjem superrešetkaste strukture, inženjerstvo pojaseva može umjetno kontrolirati asimetrični diskontinuitet ruba pojasa između vrijednosti vodljivog pojasa i valentnog pojasa te osigurati da je diskontinuitet vodljivog pojasa mnogo veći od diskontinuiteta valentnog pojasa (ΔEc>>ΔEv). U usporedbi s InGaAs rasutim materijalima, brzina ionizacije elektrona kvantnih jama InGaAs/InAlAs (a) značajno se povećava, a elektroni i šupljine dobivaju dodatnu energiju. Zbog ΔEc>>ΔEv, može se očekivati da energija koju dobiju elektroni povećava brzinu ionizacije elektrona mnogo više od doprinosa energije šupljina brzini ionizacije šupljina (b). Omjer (k) brzine ionizacije elektrona i brzine ionizacije šupljina povećava se. Stoga se primjenom superrešetkastih struktura mogu postići performanse visokog produkta pojačanja i propusnosti (GBW) i niskog šuma. Međutim, ovaj APD s kvantnom strukturom InGaAs/InAlAs, koji može povećati vrijednost k, teško je primijeniti na optičke prijemnike. To je zato što je faktor množitelja koji utječe na maksimalnu osjetljivost ograničen tamnom strujom, a ne šumom množitelja. U ovoj strukturi, tamna struja je uglavnom uzrokovana efektom tuneliranja sloja InGaAs bunara s uskim energetskim razmakom, pa uvođenje kvaternarne legure sa širokim energetskim razmakom, kao što su InGaAsP ili InAlGaAs, umjesto InGaAs kao sloja bunara strukture kvantne jame može potisnuti tamnu struju.
Vrijeme objave: 13. studenog 2023.