Povzetek: Osnovna struktura in princip delovanja lavinskega fotodetektorja (APD fotodetektor), analiziran je razvojni proces strukture naprave, povzeto je trenutno stanje raziskav in prospektivno preučen prihodnji razvoj APD.
1. Uvod
Fotodetektor je naprava, ki pretvarja svetlobne signale v električne signale.Vpolprevodniški fotodetektor, foto-generirani nosilec, ki ga vzbuja vpadni foton, vstopi v zunanje vezje pod uporabljeno prednapetostjo in tvori merljiv fototok.Tudi pri največji odzivnosti lahko fotodioda PIN proizvede največ par parov elektron-luknja, kar je naprava brez notranjega ojačenja.Za večjo odzivnost se lahko uporabi lavinska fotodioda (APD).Učinek ojačanja APD na fototok temelji na učinku ionizacijskega trka.Pod določenimi pogoji lahko pospešeni elektroni in luknje pridobijo dovolj energije, da trčijo v mrežo in proizvedejo nov par parov elektron-luknja.Ta proces je verižna reakcija, tako da lahko par parov elektron-luknja, ustvarjen z absorpcijo svetlobe, proizvede veliko število parov elektron-luknja in tvori velik sekundarni fototok.Zato ima APD visoko odzivnost in notranje ojačenje, kar izboljša razmerje med signalom in šumom naprave.APD se bo uporabljal predvsem v komunikacijskih sistemih z optičnimi vlakni na dolge razdalje ali manjšimi z drugimi omejitvami glede prejete optične moči.Trenutno so številni strokovnjaki za optične naprave zelo optimistični glede možnosti APD in verjamejo, da so raziskave APD potrebne za povečanje mednarodne konkurenčnosti sorodnih področij.
2. Tehnični razvojlavinski fotodetektor(APD fotodetektor)
2.1 Materiali
(1)Si fotodetektor
Tehnologija materialov Si 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 optičnih komunikacij.
(2) Ge
Čeprav je spektralni odziv Ge APD primeren za zahteve nizke izgube in nizke disperzije pri prenosu optičnih vlaken, obstajajo velike težave v postopku priprave.Poleg tega je razmerje hitrosti ionizacije elektronov in lukenj Ge blizu () 1, zato je težko pripraviti visoko zmogljive naprave APD.
(3) In0,53Ga0,47As/InP
To je učinkovita metoda za izbiro In0,53Ga0,47As kot plasti za absorpcijo svetlobe APD in InP kot množilne plasti.Absorpcijski vrh materiala In0,53Ga0,47As je 1,65 mm, 1,31 mm, valovna dolžina 1,55 mm je približno 104 cm-1 visok absorpcijski koeficient, kar je trenutno prednostni material za absorpcijsko plast detektorja svetlobe.
(4)InGaAs fotodetektor/notranjifotodetektor
Z izbiro InGaAsP kot plasti, ki absorbira svetlobo, in InP kot množilne plasti, je mogoče pripraviti APD z odzivno valovno dolžino 1–1,4 mm, visoko kvantno učinkovitostjo, nizkim temnim tokom in velikim ojačenjem plazov.Z izbiro različnih komponent zlitine se doseže najboljša zmogljivost za določene valovne dolžine.
(5) InGaAs/InAlAs
Material In0,52Al0,48As ima prepustni pas (1,47 eV) in ne absorbira pri območju valovnih dolžin 1,55 mm.Obstajajo dokazi, da lahko tanka epitaksialna plast In0,52Al0,48As pridobi boljše lastnosti ojačanja kot InP kot multiplikatorska plast pod pogojem vbrizgavanja čistih 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 hitrost trkovne ionizacije multiplikatorske plasti izboljšati z uvedbo supermrežnih struktur InGaAs (P) /InAlAs in In (Al) GaAs/InAlAs.Z uporabo supermrežne strukture lahko inženiring pasu umetno nadzira prekinitev robov asimetričnega pasu med vrednostmi prevodnega pasu in valenčnega pasu ter zagotovi, da je prekinitev prevodnega pasu veliko večja od prekinitve valenčnega pasu (ΔEc>>ΔEv).V primerjavi z masivnimi materiali InGaAs je stopnja ionizacije elektronov kvantne vrtine InGaAs/InAlAs (a) znatno povečana, elektroni in luknje pa pridobijo dodatno energijo.Zaradi ΔEc >> ΔEv je mogoče pričakovati, da energija, ki jo pridobijo elektroni, poveča stopnjo ionizacije elektronov veliko bolj kot prispevek energije lukenj k hitrosti ionizacije lukenj (b).Razmerje (k) med hitrostjo ionizacije elektronov in hitrostjo ionizacije lukenj se poveča.Zato je z uporabo supermrežastih struktur mogoče doseči produkt visoke pasovne širine (GBW) in nizko hrupno zmogljivost.Vendar je to InGaAs/InAlAs strukturo kvantne vrtine APD, ki lahko poveča vrednost k, težko uporabiti za optične sprejemnike.To je zato, ker je faktor množitelja, ki vpliva na največjo odzivnost, omejen s temnim tokom, ne s šumom množitelja.V tej strukturi je temni tok v glavnem posledica tunelskega učinka sloja vrtine InGaAs z ozko pasovno vrzeljo, zato uvedba kvartarne zlitine s širokopasovno vrzeljo, kot sta InGaAsP ali InAlGaAs, namesto InGaAs kot plasti vrtine strukture kvantne vrtine lahko zatre temni tok.
Čas objave: 13. nov. 2023