Sažetak: Osnovna struktura i princip rada lavinskog fotodetektora (APD fotodetektor), analizira se proces evolucije strukture uređaja, sumira trenutni status istraživanja i prospektivno se proučava budući razvoj APD-a.
1. Uvod
Fotodetektor je uređaj koji pretvara svjetlosne signale u električne signale. U apoluprovodnički fotodetektor, foto-generirani nosač 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 par parova elektron-rupa, 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 jonizacionog sudara. Pod određenim uslovima, ubrzani elektroni i rupe mogu dobiti dovoljno energije da se sudare sa rešetkom kako bi proizveli novi par parova elektron-rupa. Ovaj proces je lančana reakcija, tako da par parova elektron-rupa nastao apsorpcijom svjetlosti može proizvesti veliki broj parova elektron-rupa 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 daljinskim ili manjim optičkim komunikacionim sistemima sa drugim ograničenjima na primljenu optičku snagu. Trenutno su mnogi stručnjaci za optičke uređaje vrlo optimistični u pogledu perspektiva 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 Si materijala je zrela tehnologija koja se široko koristi u oblasti mikroelektronike, ali nije pogodna za pripremu uređaja u opsegu talasnih dužina od 1,31mm i 1,55mm koji su opšteprihvaćeni u oblasti optičkih komunikacija.
(2)Ge
Iako je spektralni odziv Ge APD pogodan za zahtjeve niskih gubitaka i niske disperzije u prijenosu optičkih vlakana, postoje velike poteškoće u procesu pripreme. Osim toga, Ge-ov omjer brzine jonizacije elektrona i rupa je blizu () 1, tako da je teško pripremiti APD uređaje visokih performansi.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
Efikasna je metoda odabira In0.53Ga0.47As kao sloja apsorpcije svjetlosti APD i InP kao sloja množenja. Vrh apsorpcije materijala In0.53Ga0.47As je 1,65 mm, 1,31 mm, 1,55 mm talasne dužine je oko 104 cm-1 visokog koeficijenta apsorpcije, što je trenutno poželjni materijal za apsorpcioni sloj detektora svetlosti.
(4)InGaAs fotodetektor/Infotodetektor
Odabirom InGaAsP-a kao sloja koji apsorbira svjetlost i InP-a kao sloja množenja, može se pripremiti APD sa talasnom dužinom odziva od 1-1,4 mm, visokom kvantnom efikasnošću, niskom tamnom strujom i velikim pojačanjem lavine. Odabirom različitih komponenti legure postižu se najbolje performanse za određene valne dužine.
(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As materijal ima zazor u pojasu (1.47eV) i ne apsorbuje na opsegu talasnih dužina od 1.55mm. Postoje dokazi da tanki In0.52Al0.48As epitaksijalni sloj može dobiti bolje karakteristike pojačanja od InP kao sloj multiplikatora pod uslovom čistog ubrizgavanja 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 ionizacije sudara sloja množenja može poboljšati uvođenjem InGaAs (P) /InAlAs i In (Al) GaAs/InAlAs superrešetkastih struktura. Koristeći strukturu superrešetke, inženjering pojasa može umjetno kontrolirati diskontinuitet ruba asimetričnog pojasa između vrijednosti pojasa provodljivosti i vrijednosti valentnog pojasa, i osigurati da je diskontinuitet vodljivog pojasa mnogo veći od diskontinuiteta valentnog pojasa (ΔEc>>ΔEv). U poređenju sa InGaAs masivnim materijalima, brzina ionizacije elektrona InGaAs/InAlAs kvantnog bunara (a) je značajno povećana, a elektroni i rupe dobijaju dodatnu energiju. Zbog ΔEc>>ΔEv, može se očekivati da energija koju dobijaju elektroni povećava brzinu jonizacije elektrona mnogo više od doprinosa energije rupa brzini ionizacije rupa (b). Omjer (k) brzine jonizacije elektrona i brzine jonizacije rupa se povećava. Zbog toga se primenom superrešetkastih struktura mogu dobiti proizvod visokog pojačanja i širine opsega (GBW) i niske performanse šuma. Međutim, ovaj APD strukture kvantnog bunara InGaAs/InAlAs, koji može povećati k vrijednost, teško je primijeniti na optičke prijemnike. To je zato što je faktor množenja koji utječe na maksimalnu reakciju ograničen tamnom strujom, a ne bukom množitelja. U ovoj strukturi, tamna struja je uglavnom uzrokovana efektom tuneliranja sloja InGaAs bunara s uskim pojasom, pa je uvođenje širokopojasne kvaternarne legure, kao što je InGaAsP ili InAlGaAs, umjesto InGaAs kao sloja bunara strukture kvantnog bunara može potisnuti tamnu struju.
Vrijeme objave: 13.11.2023