Аннотация: Основная структура и принцип работы лавинного фотодетектора (Фотодетектор APD), анализируется процесс эволюции структуры устройства, обобщается текущее состояние исследований и перспективно изучается будущее развитие АПД.
1. Введение
Фотодетектор — это устройство, преобразующее световые сигналы в электрические.полупроводниковый фотодетекторФотогенерированный носитель, возбужденный падающим фотоном, попадает во внешнюю цепь под действием приложенного напряжения смещения и формирует измеряемый фототок. Даже при максимальной чувствительности PIN-фотодиод может генерировать максимум пару электронно-дырочных пар, что является устройством без внутреннего усиления. Для большей чувствительности можно использовать лавинный фотодиод (ЛФД). Эффект усиления фототока ЛФД основан на эффекте ионизационного столкновения. При определенных условиях ускоренные электроны и дырки могут получить достаточно энергии для столкновения с решеткой с образованием новой пары электронно-дырочных пар. Этот процесс представляет собой цепную реакцию, так что пара электронно-дырочных пар, генерируемая при поглощении света, может генерировать большое количество электронно-дырочных пар и формировать большой вторичный фототок. Таким образом, ЛФД обладает высокой чувствительностью и внутренним усилением, что улучшает отношение сигнал/шум устройства. ЛФД будет использоваться в основном в системах оптоволоконной связи большой дальности или меньшей протяженности с другими ограничениями на принимаемую оптическую мощность. В настоящее время многие специалисты по оптическим приборам весьма оптимистично оценивают перспективы APD и считают, что исследования APD необходимы для повышения международной конкурентоспособности смежных областей.
2. Техническое развитиелавинный фотодетектор(APD-фотодетектор)
2.1 Материалы
(1)Si-фотодетектор
Технология материалов на основе кремния является развитой технологией, которая широко используется в области микроэлектроники, однако она не подходит для изготовления устройств в диапазоне длин волн 1,31 мм и 1,55 мм, которые обычно используются в области оптической связи.
(2)Ге
Хотя спектральная чувствительность лавинных фотодиодов Ge соответствует требованиям к малым потерям и дисперсии при передаче данных по оптоволокну, процесс их изготовления сопряжен со значительными трудностями. Кроме того, соотношение скоростей ионизации электронов и дырок в Ge близко к ()1, что затрудняет изготовление высокопроизводительных лавинных фотодиодов.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
Выбор In0.53Ga0.47As в качестве поглощающего слоя лавинного фотодиода (APD) и InP в качестве умножающего слоя является эффективным методом. Пик поглощения материала In0.53Ga0.47As находится на длинах волн 1,65 мкм, 1,31 мкм, 1,55 мкм, коэффициент поглощения составляет около 104 см-1, что делает его предпочтительным материалом для поглощающего слоя фотодетектора в настоящее время.
(4)InGaAs фотодетектор/Вфотодетектор
Выбрав InGaAsP в качестве поглощающего слоя и InP в качестве умножающего слоя, можно получить лавинный фотодиод с длиной волны 1–1,4 мкм, высокой квантовой эффективностью, низким темновым током и высоким лавинным усилением. Выбор различных компонентов сплава позволяет добиться наилучших характеристик для определённых длин волн.
(5)InGaAs/InAlAs
Материал In0.52Al0.48As имеет ширину запрещённой зоны (1,47 эВ) и не поглощает излучение в диапазоне длин волн 1,55 мкм. Имеются данные, что тонкий эпитаксиальный слой In0.52Al0.48As может обеспечить лучшие характеристики усиления, чем InP в качестве умножительного слоя при инжекции электронов.
(6)InGaAs/InGaAs(P)/InAlAs и InGaAs/In(Al)GaAs/InAlAs
Скорость ударной ионизации материалов является важным фактором, влияющим на производительность лавинного фотодиода (ЛФД). Результаты показывают, что скорость столкновительной ионизации умножительного слоя может быть улучшена путем введения сверхрешеточных структур InGaAs(P)/InAlAs и In(Al)GaAs/InAlAs. Используя сверхрешеточную структуру, зонная инженерия может искусственно контролировать асимметричный разрыв края зоны между значениями зоны проводимости и валентной зоны и гарантировать, что разрыв зоны проводимости намного больше, чем разрыв валентной зоны (ΔEc>>ΔEv). По сравнению с объемными материалами InGaAs, скорость ионизации электронов в квантовых ямах InGaAs/InAlAs (a) значительно увеличивается, а электроны и дырки получают дополнительную энергию. Из-за ΔEc>>ΔEv можно ожидать, что энергия, получаемая электронами, увеличивает скорость ионизации электронов намного больше, чем вклад энергии дырок в скорость ионизации дырок (b). Отношение (k) скорости ионизации электронов к скорости ионизации дырок увеличивается. Следовательно, высокое произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания (GBW) и низкие шумовые характеристики могут быть получены путем применения сверхрешеточных структур. Однако эта структура лавинного фотодиода с квантовыми ямами InGaAs/InAlAs, которая может увеличить значение k, трудно применима в оптических приемниках. Это связано с тем, что коэффициент умножения, который влияет на максимальную чувствительность, ограничен темновым током, а не шумом умножителя. В этой структуре темновой ток в основном вызван туннельным эффектом слоя ямы InGaAs с узкой запрещенной зоной, поэтому введение широкозонного четверного сплава, такого как InGaAsP или InAlGaAs, вместо InGaAs в качестве слоя ямы структуры с квантовыми ямами может подавить темновой ток.
Время публикации: 13 ноября 2023 г.