Rezumat: Structura de bază și principiul de funcționare al fotodetectorului de avalanșă (Fotodetector APD), este analizat procesul de evoluție a structurii dispozitivului, este rezumat stadiul actual al cercetării și este studiată prospectiv dezvoltarea viitoare a APD.
1. Introducere
Un fotodetector este un dispozitiv care transformă semnalele luminoase în semnale electrice. Într-unfotodetector semiconductor, purtătorul fotogenerat excitat de fotonul incident intră în circuitul extern sub tensiunea de polarizare aplicată și formează un fotocurent măsurabil. Chiar și la reactivitatea maximă, o fotodiodă PIN poate produce doar o pereche de perechi electron-gaură, ceea ce reprezintă un dispozitiv fără câștig intern. Pentru o reactivitate mai mare, se poate utiliza o fotodiodă avalanșă (APD). Efectul de amplificare al APD asupra fotocurentului se bazează pe efectul de coliziune prin ionizare. În anumite condiții, electronii și golurile accelerate pot obține suficientă energie pentru a se ciocni cu rețeaua electrică și a produce o nouă pereche de perechi electron-gaură. Acest proces este o reacție în lanț, astfel încât perechea de perechi electron-gaură generată prin absorbția luminii poate produce un număr mare de perechi electron-gaură și poate forma un fotocurent secundar mare. Prin urmare, APD are o reactivitate și un câștig intern ridicate, ceea ce îmbunătățește raportul semnal-zgomot al dispozitivului. APD va fi utilizat în principal în sisteme de comunicații prin fibră optică pe distanțe lungi sau mai mici, cu alte limitări ale puterii optice recepționate. În prezent, mulți experți în dispozitive optice sunt foarte optimiști cu privire la perspectivele APD și consideră că cercetarea APD este necesară pentru a spori competitivitatea internațională a domeniilor conexe.
2. Dezvoltarea tehnică afotodetector de avalanșă(Fotodetector APD)
2.1 Materiale
(1)Fotodetector de Si
Tehnologia materialelor Si este o tehnologie matură, utilizată pe scară largă în domeniul microelectronicii, dar nu este potrivită pentru prepararea dispozitivelor în intervalul de lungimi de undă de 1,31 mm și 1,55 mm, care sunt în general acceptate în domeniul comunicațiilor optice.
(2)Ge
Deși răspunsul spectral al dispozitivului APD din Ge este potrivit pentru cerințele de pierderi reduse și dispersie redusă în transmisia prin fibră optică, există dificultăți mari în procesul de preparare. În plus, raportul ratei de ionizare a electronilor și golurilor din Ge este apropiat de () 1, ceea ce face dificilă prepararea de dispozitive APD de înaltă performanță.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
Este o metodă eficientă de a selecta In0.53Ga0.47As ca strat de absorbție a luminii pentru APD și InP ca strat multiplicator. Picul de absorbție al materialului In0.53Ga0.47As are dimensiuni de 1,65 mm, 1,31 mm și 1,55 mm, iar lungimea de undă are un coeficient de absorbție ridicat de aproximativ 104 cm-1, fiind materialul preferat în prezent pentru stratul de absorbție al detectorului de lumină.
(4)Fotodetector InGaAs/Înfotodetector
Prin selectarea InGaAsP ca strat de absorbție a luminii și InP ca strat multiplicator, se poate prepara un APD cu o lungime de undă de răspuns de 1-1,4 mm, eficiență cuantică ridicată, curent de întuneric redus și câștig de avalanșă ridicat. Prin selectarea diferitelor componente din aliaj, se obține cea mai bună performanță pentru lungimi de undă specifice.
(5)InGaAs/InAlAs
Materialul In0.52Al0.48As are o bandă interzisă (1.47 eV) și nu absoarbe la lungimea de undă de 1.55 mm. Există dovezi că stratul epitaxial subțire de In0.52Al0.48As poate obține caracteristici de amplificare mai bune decât InP ca strat multiplicator în condițiile injecției pure de electroni.
(6) InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs și InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Rata de ionizare la impact a materialelor este un factor important care afectează performanța APD. Rezultatele arată că rata de ionizare la coliziune a stratului multiplicator poate fi îmbunătățită prin introducerea structurilor de superrețea InGaAs (P) /InAlAs și In (Al) GaAs/InAlAs. Prin utilizarea structurii de superrețea, ingineria benzilor poate controla artificial discontinuitatea asimetrică a marginii benzii dintre valorile benzii de conducție și ale benzii de valență și poate asigura că discontinuitatea benzii de conducție este mult mai mare decât discontinuitatea benzii de valență (ΔEc>>ΔEv). Comparativ cu materialele vrac InGaAs, rata de ionizare a electronilor cu sondă cuantică InGaAs/InAlAs (a) este semnificativ crescută, iar electronii și golurile câștigă energie suplimentară. Datorită ΔEc>>ΔEv, se poate aștepta ca energia câștigată de electroni să crească rata de ionizare a electronilor mult mai mult decât contribuția energiei golurilor la rata de ionizare a golurilor (b). Raportul (k) dintre rata de ionizare a electronilor și rata de ionizare a golurilor crește. Prin urmare, prin aplicarea unor structuri superrețele, se poate obține un produs câștig-lățime de bandă (GBW) ridicat și performanțe de zgomot redus. Cu toate acestea, această declanșare a declanșării automate (APD) a structurii cuantice de sondă InGaAs/InAlAs, care poate crește valoarea k, este dificil de aplicat receptoarelor optice. Acest lucru se datorează faptului că factorul multiplicator care afectează reactivitatea maximă este limitat de curentul de întuneric, nu de zgomotul multiplicatorului. În această structură, curentul de întuneric este cauzat în principal de efectul de tunelare al stratului de sondă InGaAs cu o bandă interzisă îngustă, astfel încât introducerea unui aliaj cuaternar cu bandă interzisă largă, cum ar fi InGaAsP sau InAlGaAs, în loc de InGaAs ca strat de sondă al structurii cuantice de sondă poate suprima curentul de întuneric.
Data publicării: 13 noiembrie 2023