Резюме: Основната структура и принцип на работа на лавинен фотодетектор (APD фотодетектор), анализира се процесът на еволюция на структурата на устройството, обобщава се текущото състояние на изследванията и се проучва проспективно бъдещото развитие на APD.
1. Въведение
Фотодетекторът е устройство, което преобразува светлинните сигнали в електрически сигнали. Вполупроводников фотодетекторФотогенерираният носител, възбуден от падащия фотон, навлиза във външната верига под приложеното напрежение на отклонение и образува измерим фототок. Дори при максимална чувствителност, PIN фотодиодът може да произведе най-много двойка електрон-дупкови двойки, което е устройство без вътрешно усилване. За по-голяма чувствителност може да се използва лавинен фотодиод (APD). Усилващият ефект на APD върху фототока се основава на ефекта на йонизационния сблъсък. При определени условия ускорените електрони и дупки могат да получат достатъчно енергия, за да се сблъскат с решетката и да създадат нова двойка електрон-дупкови двойки. Този процес е верижна реакция, така че двойката електрон-дупкови двойки, генерирана от абсорбцията на светлина, може да произведе голям брой електрон-дупкови двойки и да образува голям вторичен фототок. Следователно, APD има висока чувствителност и вътрешно усилване, което подобрява съотношението сигнал/шум на устройството. APD ще се използва главно в оптични комуникационни системи на дълги разстояния или по-малки разстояния с други ограничения върху приеманата оптична мощност. В момента много експерти по оптични устройства са много оптимистично настроени относно перспективите на APD и вярват, че изследванията в тази област са необходими за повишаване на международната конкурентоспособност на свързаните области.
2. Техническо развитие налавинов фотодетектор(APD фотодетектор)
2.1 Материали
(1)Si фотодетектор
Технологията за силициеви материали е зряла технология, която се използва широко в областта на микроелектрониката, но не е подходяща за подготовката на устройства с дължина на вълната от 1,31 мм и 1,55 мм, които са общоприети в областта на оптичната комуникация.
(2) Ге
Въпреки че спектралният отклик на Ge APD е подходящ за изискванията за ниски загуби и ниска дисперсия при предаване през оптични влакна, има големи трудности в процеса на подготовка. Освен това, съотношението на скоростта на йонизация на електрони и дупки на Ge е близко до ()1, така че е трудно да се приготвят високоефективни APD устройства.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
Ефективен метод е да се избере In0.53Ga0.47As като слой за поглъщане на светлина на APD и InP като умножителен слой. Абсорбционният пик на материала In0.53Ga0.47As е с дължина на вълната 1.65 mm, 1.31 mm и 1.55 mm, което е с висок коефициент на поглъщане около 104 cm-1, което е предпочитаният материал за абсорбционния слой на светлинния детектор в момента.
(4)InGaAs фотодетектор/Вфотодетектор
Чрез избиране на InGaAsP като поглъщащ светлината слой и InP като умножаващ слой, може да се получи лавинен фотодиод (LPD) с дължина на вълната на реакция 1-1,4 mm, висока квантова ефективност, нисък тъмен ток и високо лавинно усилване. Чрез избора на различни компоненти на сплавта се постигат най-добри характеристики за специфични дължини на вълните.
(5)InGaAs/InAlAs
Материалът In0.52Al0.48As има забранена зона (1.47eV) и не абсорбира в диапазона на дължината на вълната от 1.55mm. Има доказателства, че тънкият епитаксиален слой In0.52Al0.48As може да постигне по-добри характеристики на усилване от InP като мултипликаторен слой при условие на чисто инжектиране на електрони.
(6) InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs и InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Скоростта на ударна йонизация на материалите е важен фактор, влияещ върху производителността на лабораторното фотодетекторно преобразуване (ЛАП). Резултатите показват, че скоростта на сблъсъчна йонизация на мултипликаторния слой може да се подобри чрез въвеждане на свръхрешетъчни структури InGaAs (P) /InAlAs и In (Al) GaAs/InAlAs. Чрез използването на свръхрешетъчна структура, лентовото инженерство може изкуствено да контролира асиметричното прекъсване на ръба на зоната между стойностите на проводимата зона и валентната зона и да гарантира, че прекъсването на проводимата зона е много по-голямо от прекъсването на валентната зона (ΔEc>>ΔEv). В сравнение с обемните материали InGaAs, скоростта на квантово-яменна електронна йонизация на InGaAs/InAlAs (a) се увеличава значително и електроните и дупките получават допълнителна енергия. Поради ΔEc>>ΔEv може да се очаква, че енергията, получена от електроните, увеличава скоростта на електронна йонизация много повече от приноса на енергията на дупките към скоростта на йонизация на дупките (b). Съотношението (k) на скоростта на електронна йонизация към скоростта на йонизация на дупките се увеличава. Следователно, чрез прилагане на свръхрешетъчни структури може да се постигне високо съотношение на усилване-ширина на лентата (GBW) и ниско ниво на шум. Този APD с квантови ями InGaAs/InAlAs обаче, който може да увеличи стойността на k, е труден за прилагане в оптични приемници. Това е така, защото коефициентът на умножение, който влияе на максималната чувствителност, е ограничен от тъмния ток, а не от шума на умножителя. В тази структура тъмният ток се причинява главно от тунелния ефект на слоя с яма InGaAs с тясна забранена зона, така че въвеждането на кватернерна сплав с широка забранена зона, като InGaAsP или InAlGaAs, вместо InGaAs, като слой с яма на квантовата яма, може да потисне тъмния ток.
Време на публикуване: 13 ноември 2023 г.