Povzetek: Osnovna struktura in princip delovanja plaznega fotodetektorja (APD fotodetektor), analiziran je proces evolucije strukture naprave, povzeto je trenutno stanje raziskav in prospektivno preučen je prihodnji razvoj APD.
1. Uvod
Fotodetektor je naprava, ki pretvarja svetlobne signale v električne signale. Vpolprevodniški fotodetektorFotogenerirani nosilec, ki ga vzbuja vpadni foton, vstopi v zunanje vezje pod uporabljeno napetostjo prednapetosti in tvori merljiv fototok. Tudi pri največji odzivnosti lahko PIN fotodioda ustvari največ par parov elektronov in vrzeli, kar je naprava brez notranjega ojačanja. Za večjo odzivnost se lahko uporabi lavinska fotodioda (APD). Ojačevalni učinek APD na fototok temelji na učinku ionizacijskega trka. Pod določenimi pogoji lahko pospešeni elektroni in vrzeli pridobijo dovolj energije, da trčijo v mrežo in ustvarijo nov par parov elektronov in vrzeli. Ta proces je verižna reakcija, tako da lahko par parov elektronov in vrzeli, ki nastane zaradi absorpcije svetlobe, ustvari veliko število parov elektronov in vrzeli in tvori velik sekundarni fototok. Zato ima APD visoko odzivnost in notranji ojačanje, kar izboljša razmerje signal/šum naprave. APD se bo uporabljal predvsem v komunikacijskih sistemih na dolge razdalje ali manjših optičnih vlaknih z drugimi omejitvami sprejete optične moči. Trenutno so mnogi strokovnjaki za optične naprave zelo optimistični glede možnosti APD in menijo, da so raziskave APD potrebne za povečanje mednarodne konkurenčnosti sorodnih področij.
2. Tehnični razvojplazovni fotodetektor(APD fotodetektor)
2.1 Materiali
(1)Si fotodetektor
Tehnologija silicijevih materialov je zrela tehnologija, ki se pogosto uporablja na področju mikroelektronike, vendar ni primerna za pripravo naprav v območju valovnih dolžin 1,31 mm in 1,55 mm, ki so splošno sprejete na področju optične komunikacije.
(2)Ge
Čeprav je spektralni odziv Ge APD primeren za zahteve nizkih izgub in nizke disperzije pri prenosu optičnih vlaken, obstajajo velike težave pri postopku priprave. Poleg tega je razmerje hitrosti ionizacije elektronov in lukenj Ge blizu ()1, zato je težko pripraviti visokozmogljive APD naprave.
(3) In0,53Ga0,47As/InP
Učinkovita metoda je izbira In0.53Ga0.47As kot absorpcijske plasti APD in InP kot multiplikacijske plasti. Absorpcijski vrh materiala In0.53Ga0.47As je pri valovnih dolžinah 1,65 mm, 1,31 mm in 1,55 mm, kar ima visok absorpcijski koeficient približno 104 cm-1, kar je trenutno najprimernejši material za absorpcijsko plast detektorja svetlobe.
(4)InGaAs fotodetektor/Vfotodetektor
Z izbiro InGaAsP kot plasti, ki absorbira svetlobo, in InP kot multiplikacijske plasti je mogoče pripraviti APD z odzivno valovno dolžino 1–1,4 mm, visoko kvantno učinkovitostjo, nizkim temnim tokom in visokim lavinskim ojačanjem. Z izbiro različnih komponent zlitine se doseže najboljša zmogljivost za določene valovne dolžine.
(5) InGaAs/InAlAs
Material In0.52Al0.48As ima pasovno vrzel (1.47eV) in ne absorbira v območju valovnih dolžin 1.55mm. Obstajajo dokazi, da lahko tanka epitaksialna plast In0.52Al0.48As doseže boljše karakteristike ojačanja kot InP kot multiplikatorska plast pod pogojem čistega vbrizgavanja elektronov.
(6) InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs in InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Hitrost udarne ionizacije materialov je pomemben dejavnik, ki vpliva na delovanje APD. Rezultati kažejo, da je mogoče izboljšati hitrost trčne ionizacije multiplikacijske plasti z uvedbo supermrežnih struktur InGaAs (P) /InAlAs in In (Al) GaAs/InAlAs. Z uporabo supermrežne strukture lahko pasovno inženirstvo umetno nadzoruje asimetrično diskontinuiteto roba pasu med vrednostmi prevodnega pasu in valentnega pasu ter zagotovi, da je diskontinuiteta prevodnega pasu veliko večja od diskontinuitete valentnega pasu (ΔEc>>ΔEv). V primerjavi z materiali InGaAs v razsutem stanju se hitrost kvantne ionizacije elektronov InGaAs/InAlAs (a) znatno poveča, elektroni in vrzeli pa pridobijo dodatno energijo. Zaradi ΔEc>>ΔEv lahko pričakujemo, da energija, ki jo pridobijo elektroni, veliko bolj poveča hitrost ionizacije elektronov kot prispevek energije vrzeli k hitrosti ionizacije vrzeli (b). Razmerje (k) med hitrostjo ionizacije elektronov in hitrostjo ionizacije vrzeli se poveča. Zato je mogoče z uporabo supermrežnih struktur doseči visok produkt ojačanja in pasovne širine (GBW) in nizek šum. Vendar pa je ta APD s kvantno strukturo jamic InGaAs/InAlAs, ki lahko poveča vrednost k, težko uporabiti za optične sprejemnike. To je zato, ker je multiplikacijski faktor, ki vpliva na največjo odzivnost, omejen s temnim tokom in ne s multiplikacijskim šumom. V tej strukturi temni tok v glavnem povzroča tunelski učinek plasti jamic InGaAs z ozko pasovno režo, zato lahko uvedba kvaternarne zlitine s široko pasovno režo, kot je InGaAsP ali InAlGaAs, namesto InGaAs kot plasti jamic kvantne strukture, zavira temni tok.
Čas objave: 13. november 2023