Sammanfattning: Grundstrukturen och funktionsprincipen för lavinfotodetektorn (APD-fotodetektor) introduceras, utvecklingsprocessen för enhetsstrukturen analyseras, den nuvarande forskningsstatusen sammanfattas och den framtida utvecklingen av APD studeras prospektivt.
1. Introduktion
En fotodetektor är en anordning som omvandlar ljussignaler till elektriska signaler. I enhalvledarfotodetektor, den fotogenererade bärvågen som exciteras av den infallande fotonen går in i den externa kretsen under den pålagda förspänningen och bildar en mätbar fotoström. Även vid maximal responsivitet kan en PIN-fotodiod endast producera ett par elektron-hål-par, vilket är en anordning utan intern förstärkning. För större responsivitet kan en lavinfotodiod (APD) användas. Förstärkningseffekten av APD på fotoströmmen är baserad på joniseringskollisionseffekten. Under vissa förhållanden kan de accelererade elektronerna och hålen få tillräckligt med energi för att kollidera med gittret för att producera ett nytt par elektron-hål-par. Denna process är en kedjereaktion, så att paret av elektron-hål-par som genereras genom ljusabsorption kan producera ett stort antal elektron-hål-par och bilda en stor sekundär fotoström. Därför har APD hög responsivitet och intern förstärkning, vilket förbättrar anordningens signal-brusförhållande. APD kommer huvudsakligen att användas i långdistans- eller mindre optiska fiberkommunikationssystem med andra begränsningar på den mottagna optiska effekten. För närvarande är många experter på optiska apparater mycket optimistiska om utsikterna för APD och anser att forskningen inom APD är nödvändig för att öka den internationella konkurrenskraften inom relaterade områden.
2. Teknisk utveckling avlavinfotodetektor(APD-fotodetektor)
2.1 Material
(1)Si-fotodetektor
Si-materialteknik är en mogen teknik som används flitigt inom mikroelektronik, men den är inte lämplig för framställning av anordningar i våglängdsområdet 1,31 mm och 1,55 mm som är allmänt accepterade inom optisk kommunikation.
(2)Ge
Även om Ge APD:s spektralrespons är lämplig för kraven på låg förlust och låg dispersion vid optisk fiberöverföring, finns det stora svårigheter i framställningsprocessen. Dessutom är Ge:s elektron- och håljoniseringsförhållande nära () 1, så det är svårt att framställa högpresterande APD-enheter.
(3) In0,53Ga0,47As/InP
Det är en effektiv metod att välja In0.53Ga0.47As som ljusabsorptionsskikt för APD och InP som multiplikatorskikt. Absorptionstoppen för In0.53Ga0.47As-materialet är 1,65 mm, 1,31 mm, 1,55 mm våglängd och har en hög absorptionskoefficient på cirka 104 cm-1, vilket är det föredragna materialet för absorptionsskiktet i ljusdetektorer för närvarande.
(4)InGaAs fotodetektor/Ifotodetektor
Genom att välja InGaAsP som ljusabsorberande lager och InP som multiplikatorlager kan APD med en responsvåglängd på 1–1,4 mm, hög kvanteffektivitet, låg mörkerström och hög lavinförstärkning framställas. Genom att välja olika legeringskomponenter uppnås bästa prestanda för specifika våglängder.
(5) InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As-materialet har ett bandgap (1,47 eV) och absorberar inte i våglängdsområdet 1,55 mm. Det finns bevis för att ett tunt In0.52Al0.48As epitaxiellt lager kan uppnå bättre förstärkningsegenskaper än InP som multiplikatorlager under förutsättning att ren elektroninjektion används.
(6) InGaAs/InGaAs (P)/InAlAs och InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Materialens joniseringshastighet vid stötar är en viktig faktor som påverkar prestandan hos APD. Resultaten visar att kollisioniseringshastigheten för multiplikatorlagret kan förbättras genom att introducera InGaAs (P) /InAlAs och In (Al) GaAs/InAlAs supergitterstrukturer. Genom att använda supergitterstrukturen kan bandtekniken artificiellt kontrollera den asymmetriska bandkantdiskontinuiteten mellan ledningsbandet och valensbandsvärdena, och säkerställa att ledningsbanddiskontinuiteten är mycket större än valensbanddiskontinuiteten (ΔEc>>ΔEv). Jämfört med InGaAs bulkmaterial ökar elektronjoniseringshastigheten (a) för kvantbrunnar i InGaAs/InAlAs avsevärt, och elektroner och hål får extra energi. På grund av ΔEc>>ΔEv kan man förvänta sig att den energi som elektronerna får ökar elektronjoniseringshastigheten mycket mer än bidraget från hålenergi till håljoniseringshastigheten (b). Förhållandet (k) mellan elektronjoniseringshastigheten och håljoniseringshastigheten ökar. Därför kan en hög förstärkningsbandbreddsprodukt (GBW) och låg brusprestanda erhållas genom att tillämpa supergitterstrukturer. Denna InGaAs/InAlAs kvantbrunnsstruktur APD, som kan öka k-värdet, är dock svår att tillämpa på optiska mottagare. Detta beror på att multiplikatorfaktorn som påverkar den maximala responsen begränsas av mörkströmmen, inte multiplikatorbruset. I denna struktur orsakas mörkströmmen huvudsakligen av tunneleffekten av InGaAs-brunnskiktet med ett smalt bandgap, så införandet av en kvaternär legering med brett bandgap, såsom InGaAsP eller InAlGaAs, istället för InGaAs som brunnskikt i kvantbrunnsstrukturen kan undertrycka mörkströmmen.
Publiceringstid: 13 november 2023