Sažetak: Osnovna struktura i princip rada lavinskog fotodetektora (APD fotodetektor), analiziran je proces evolucije strukture uređaja, sažet je trenutni status istraživanja i prospektivno se proučava budući razvoj APD-a.
1. Uvod
Fotodetektor je uređaj koji pretvara svjetlosne signale u električne signale. Upoluprovodnički fotodetektor, fotogenerirani nosilac pobuđen upadnim fotonom ulazi u vanjsko kolo pod primijenjenim naponom prednapona i formira mjerljivu fotostruju. Čak i pri maksimalnom odzivu, PIN fotodioda može proizvesti najviše samo par elektron-šupljinskih parova, što je uređaj bez internog pojačanja. Za veći odziv, može se koristiti lavinska fotodioda (APD). Efekat pojačanja APD-a na fotostruju zasniva se na efektu jonizacijskog sudara. Pod određenim uslovima, ubrzani elektroni i šupljine mogu dobiti dovoljno energije da se sudare sa rešetkom kako bi proizveli novi par elektron-šupljinskih parova. Ovaj proces je lančana reakcija, tako da par elektron-šupljinskih parova generisan apsorpcijom svjetlosti može proizvesti veliki broj elektron-šupljinskih parova i formirati veliku sekundarnu fotostruju. Stoga, APD ima visok odziv i interno pojačanje, što poboljšava odnos signal-šum uređaja. APD će se uglavnom koristiti u sistemima optičke komunikacije na velike udaljenosti ili manjim optičkim vlaknima sa 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 neophodno za povećanje međunarodne konkurentnosti srodnih oblasti.
2. Tehnički razvojfotodetektor lavine(APD fotodetektor)
2.1 Materijali
(1)Si fotodetektor
Tehnologija silicijskih materijala je zrela tehnologija koja se široko koristi u oblasti mikroelektronike, ali nije pogodna za pripremu uređaja u opsegu talasnih dužina od 1,31 mm i 1,55 mm koji su opšteprihvaćeni u oblasti optičke komunikacije.
(2)Ge
Iako je spektralni odziv Ge APD-a pogodan za zahtjeve niskih gubitaka i niske disperzije u prijenosu optičkih vlakana, postoje velike poteškoće u procesu pripreme. Osim toga, odnos brzine ionizacije elektrona i rupa Ge-a je blizu ()1, tako da je teško pripremiti visokoučinkovite APD uređaje.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
Efikasna je metoda odabir In0.53Ga0.47As kao sloja za apsorpciju svjetlosti APD-a i InP kao sloja za umnožavanje. Apsorpcijski vrh In0.53Ga0.47As materijala je 1,65 mm, 1,31 mm i 1,55 mm, s visokim koeficijentom 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 odzivnom valnom dužinom od 1-1,4 mm, visokom kvantnom efikasnošću, niskom tamnom strujom i visokim lavinskim pojačanjem. Odabirom različitih komponenti legure postižu se najbolje performanse za specifične valne dužine.
(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 jonizacije materijala je važan faktor koji utiče na performanse APD-a. Rezultati pokazuju da se brzina kolizijske jonizacije multiplikacionog sloja može poboljšati uvođenjem superrešetkastih struktura InGaAs (P) /InAlAs i In (Al) GaAs/InAlAs. Korištenjem superrešetkaste strukture, inženjering zona može vještački kontrolisati asimetrični diskontinuitet ruba zone između vrijednosti provodne zone i valentne zone, te osigurati da je diskontinuitet provodne zone mnogo veći od diskontinuiteta valentne zone (ΔEc>>ΔEv). U poređenju sa InGaAs rasutim materijalima, brzina jonizacije elektrona kvantnih jama InGaAs/InAlAs (a) je značajno povećana, a elektroni i šupljine dobijaju dodatnu energiju. Zbog ΔEc>>ΔEv, može se očekivati da energija koju dobiju elektroni povećava brzinu jonizacije elektrona mnogo više nego doprinos energije šupljina brzini jonizacije šupljina (b). Odnos (k) brzine jonizacije elektrona i brzine jonizacije šupljina se povećava. Stoga se primjenom superrešetkastih struktura mogu postići performanse visokog produkta pojačanja i propusnosti (GBW) i niskog šuma. Međutim, ovaj APD sa kvantnom strukturom InGaAs/InAlAs, koji može povećati k vrijednost, teško je primijeniti na optičke prijemnike. To je zato što je faktor multiplikatora koji utiče na maksimalnu odzivnost ograničen tamnom strujom, a ne šumom multiplikatora. U ovoj strukturi, tamna struja je uglavnom uzrokovana efektom tuneliranja sloja InGaAs bunara sa uskim energetskim procjepom, tako da uvođenje kvaternarne legure sa širokim energetskim procjepom, kao što su InGaAsP ili InAlGaAs, umjesto InGaAs kao sloja bunara strukture kvantne jame može potisnuti tamnu struju.
Vrijeme objave: 13. novembar 2023.