Rezumat: Structura de bază și principiul de funcționare al fotodetectorului de avalanșă (Fotodetector APD), se analizează procesul de evoluție al structurii dispozitivului, se rezumă stadiul actual al cercetării și se studiază prospectiv dezvoltarea viitoare a APD.
1. Introducere
Un fotodetector este un dispozitiv care convertește semnalele luminoase în semnale electrice.Într-ofotodetector cu semiconductor, purtătorul foto-generat excitat de fotonul incident intră în circuitul extern sub tensiunea de polarizare aplicată și formează un fotocurent măsurabil.Chiar și la răspunsul maxim, o fotodiodă PIN poate produce cel mult o pereche de perechi electron-gaură, care este un dispozitiv fără câștig intern.Pentru o mai mare capacitate de răspuns, poate fi utilizată o fotodiodă de avalanșă (APD).Efectul de amplificare al APD asupra curentului foto se bazează pe efectul de coliziune a ionizării.În anumite condiții, electronii și găurile accelerate pot obține suficientă energie pentru a se ciocni cu rețeaua pentru a produce o nouă pereche de perechi electron-gaură.Acest proces este o reacție în lanț, astfel încât perechea de perechi electron-gaură generată de absorbția luminii poate produce un număr mare de perechi electron-găură și poate forma un fotocurent secundar mare.Prin urmare, APD are o capacitate de răspuns ridicată și un câștig intern, ceea ce îmbunătățește raportul semnal-zgomot al dispozitivului.APD va fi utilizat în principal în sistemele de comunicații cu fibră optică pe distanțe lungi sau mai mici, cu alte limitări ale puterii optice primite.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)Si fotodetector
Tehnologia materialului Si este o tehnologie matură care este utilizată pe scară largă în domeniul microelectronicii, dar nu este potrivită pentru pregătirea 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 Ge APD este potrivit pentru cerințele de pierdere scăzută și dispersie scăzută în transmisia prin fibre optice, există dificultăți mari în procesul de preparare.În plus, raportul de ionizare a electronilor și a găurii lui Ge este aproape de () 1, deci este dificil să se pregătească 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 al APD și InP ca strat multiplicator.Vârful de absorbție al materialului In0.53Ga0.47As este de 1,65 mm, 1,31 mm, lungimea de undă de 1,55 mm este de aproximativ 104 cm-1 coeficient de absorbție ridicat, care este materialul preferat pentru stratul de absorbție al detectorului de lumină în prezent.
(4)Fotodetector InGaAs/Înfotodetector
Selectând InGaAsP ca strat de absorbție a luminii și InP ca strat multiplicator, se poate pregăti APD cu o lungime de undă de răspuns de 1-1,4 mm, eficiență cuantică ridicată, curent de întuneric scăzut și câștig mare de avalanșă.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 (1,47eV) și nu absoarbe la intervalul de lungimi de undă de 1,55 mm.Există dovezi că stratul epitaxial subțire de In0.52Al0.48As poate obține caracteristici de câștig mai bune decât InP ca strat multiplicator în condițiile injecției cu electroni puri.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs și InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Rata de ionizare prin impact a materialelor este un factor important care afectează performanța APD.Rezultatele arată că rata de ionizare prin coliziune a stratului multiplicator poate fi îmbunătățită prin introducerea structurilor superlatice InGaAs (P) /InAlAs și In (Al) GaAs/InAlAs.Prin utilizarea structurii superlatice, ingineria benzii poate controla artificial discontinuitatea asimetrică a marginii benzii între banda de conducere și valorile benzii de valență și se poate asigura că discontinuitatea benzii de conducere este mult mai mare decât discontinuitatea benzii de valență (ΔEc>>ΔEv).În comparație cu materialele în vrac InGaAs, rata de ionizare a electronilor cuantice InGaAs/InAlAs (a) este semnificativ crescută, iar electronii și găurile 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 găurii la rata de ionizare a găurilor (b).Raportul (k) dintre viteza de ionizare a electronilor și rata de ionizare a găurilor crește.Prin urmare, se pot obține un produs cu lățime de bandă de câștig mare (GBW) și performanță de zgomot redus prin aplicarea structurilor superlatice.Cu toate acestea, această structură a puțurilor cuantice InGaAs/InAlAs APD, care poate crește valoarea k, este dificil de aplicat receptorilor optici.Acest lucru se datorează faptului că factorul multiplicator care afectează capacitatea maximă de răspuns este limitat de curentul de întuneric, nu de zgomotul multiplicator.În această structură, curentul întunecat este cauzat în principal de efectul de tunel al stratului de puțuri InGaAs cu o bandă interzisă îngustă, astfel încât introducerea unui aliaj cuaternar cu decalaj de bandă largă, cum ar fi InGaAsP sau InAlGaAs, în loc de InGaAs ca strat de puț. a structurii puțului cuantic poate suprima curentul întunecat.
Ora postării: 13-nov-2023