Резюме: Основната структура и принцип на работа на лавинен фотодетектор (APD фотодетектор) са въведени, процесът на еволюция на структурата на устройството е анализиран, текущият статус на изследване е обобщен и бъдещото развитие на APD е проспективно проучено.
1. Въведение
Фотодетекторът е устройство, което преобразува светлинните сигнали в електрически сигнали. В аполупроводников фотодетектор, фотогенерираният носител, възбуден от падащия фотон, влиза във външната верига под приложеното преднапрежение и образува измерим фототок. Дори при максимална чувствителност един PIN фотодиод може да произведе най-много само чифт двойки електрон-дупка, което е устройство без вътрешно усилване. За по-голяма отзивчивост може да се използва лавинен фотодиод (APD). Ефектът на усилване 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, за да произведат нова двойка двойки електрон-дупка. Този процес е верижна реакция, така че двойката двойки електрон-дупка, генерирана от абсорбцията на светлина, може да произведе голям брой двойки електрон-дупка 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 комуникационни системи с оптични влакна на дълги разстояния или по-малки с други ограничения върху получената оптична мощност. Понастоящем много експерти по оптични устройства са много оптимистични относно перспективите на APD и вярват, че изследването на APD е необходимо за повишаване на международната конкурентоспособност на свързани области.
2. Техническо развитие налавинен фотодетектор(APD фотодетектор)
2.1 Материали
(1)Si фотодетектор
Технологията на Si материал е зряла технология, която се използва широко в областта на микроелектрониката, но не е подходяща за подготовката на устройства в диапазона на дължина на вълната от 1,31 mm и 1,55 mm, които са общоприети в областта на оптичната комуникация.
(2) Ge
Въпреки че спектралната реакция на Ge APD е подходяща за изискванията за ниски загуби и ниска дисперсия при предаване на оптични влакна, има големи трудности в процеса на подготовка. В допълнение, съотношението на скоростта на йонизация на електрони и дупки на Ge е близо до () 1, така че е трудно да се подготвят високопроизводителни APD устройства.
(3) In0,53Ga0,47As/InP
Това е ефективен метод за избор на In0.53Ga0.47As като слой за абсорбиране на светлина на APD и InP като умножителен слой. Пикът на абсорбция на материала In0,53Ga0,47As е 1,65 mm, 1,31 mm, 1,55 mm, дължината на вълната е около 104 cm-1 висок коефициент на абсорбция, което е предпочитаният материал за абсорбционния слой на светлинния детектор в момента.
(4)InGaAs фотодетектор/Вътрефотодетектор
Чрез избиране на InGaAsP като светлопоглъщащ слой и InP като умножителен слой, може да се подготви APD с дължина на вълната на реакция от 1-1,4 mm, висока квантова ефективност, нисък тъмен ток и голямо усилване на лавината. Чрез избора на различни компоненти от сплав се постига най-доброто представяне за специфични дължини на вълните.
(5) InGaAs/InAlAs
Материалът In0,52Al0,48As има забранена лента (1,47 eV) и не абсорбира в диапазона на дължина на вълната от 1,55 mm. Има доказателства, че тънкият епитаксиален слой In0.52Al0.48As може да получи по-добри характеристики на усилване от InP като мултипликаторен слой при условие на чисто електронно инжектиране.
(6) InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs и InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Степента на ударна йонизация на материалите е важен фактор, влияещ върху работата на APD. Резултатите показват, че скоростта на йонизация при сблъсък на умножителния слой може да бъде подобрена чрез въвеждане на суперрешетъчни структури InGaAs (P) /InAlAs и In (Al) GaAs/InAlAs. Чрез използването на структурата на свръхрешетката инженерството на лентата може изкуствено да контролира прекъсването на асиметричния ръб на лентата между стойностите на зоната на проводимост и валентната зона и да гарантира, че прекъсването на лентата на проводимост е много по-голямо от прекъсването на валентната лента (ΔEc>>ΔEv). В сравнение с обемните материали InGaAs, InGaAs/InAlAs скоростта на йонизация на електроните с квантови ямки (a) е значително увеличена и електроните и дупките получават допълнителна енергия. Поради ΔEc>>ΔEv, може да се очаква, че енергията, придобита от електроните, увеличава скоростта на йонизация на електроните много повече от приноса на енергията на дупката към скоростта на йонизация на дупката (b). Съотношението (k) на скоростта на йонизация на електрони към скоростта на йонизация на дупките се увеличава. Следователно продуктът с висока честотна лента (GBW) и нисък шум могат да бъдат получени чрез прилагане на суперрешетъчни структури. Въпреки това, тази InGaAs/InAlAs структура на квантовата ямка APD, която може да увеличи стойността на k, е трудна за прилагане към оптични приемници. Това е така, защото коефициентът на умножение, който влияе върху 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 InGaAs ямковия слой с тясна междина на лентата, така че въвеждането на широколентова кватернерна сплав, като InGaAsP или InAlGaAs, вместо InGaAs като ямков слой на структурата на квантовата яма може да потисне тъмния ток.
Време на публикуване: 13 ноември 2023 г