Аннотация: Основная структура и принцип работы лавинного фотоприемника (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 сигналы. Вполупроводниковый фотодетекторфотогенерированный носитель, возбужденный падающим фотоном, поступает во внешнюю цепь под приложенным напряжением смещения и образует измеримый фототок. Даже при максимальной чувствительности PIN-фотодиод может производить максимум только пару пар электрон-дырка, что является устройством без внутреннего усиления. Для большей чувствительности можно использовать лавинный фотодиод (APD). Эффект усиления APD на фототок основан на эффекте ионизационного столкновения. При определенных условиях ускоренные электроны и дырки могут получить достаточно энергии, чтобы столкнуться с решеткой и создать новую пару пар электрон-дырка. Этот процесс представляет собой цепную реакцию, так что пара пар электрон-дырка, созданная поглощением света, может производить большое количество пар электрон-дырка и образовывать большой вторичный фототок. Поэтому APD имеет высокую чувствительность и внутреннее усиление, что улучшает отношение сигнал/шум устройства. APD будет в основном использоваться в системах оптоволоконной связи на большие расстояния или меньше с другими ограничениями по принимаемой оптической мощности. 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)кремниевый фотодетектор
Технология производства кремниевых материалов — это зрелая технология, широко используемая 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 спектральный отклик Ge APD подходит для требований низких потерь и низкой дисперсии при передаче по оптоволокну, существуют большие трудности в процессе подготовки. Кроме того, отношение скоростей ионизации электронов и дырок Ge близко к () 1, поэтому трудно подготовить высокопроизводительные устройства APD.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
Эффективным методом является выбор In0.53Ga0.47As в качестве слоя поглощения света APD и InP в качестве слоя умножителя. Пик поглощения материала In0.53Ga0.47As составляет 1,65 мм, 1,31 мм, 1,55 мм, длина волны около 104 см-1, высокий коэффициент поглощения, что является предпочтительным материалом для слоя поглощения детектора света в настоящее время.
(4)InGaAs фотодетектор/Вфотодетектор
Выбрав InGaAsP в качестве поглощающего свет слоя и InP в качестве умножающего слоя, можно подготовить APD с длиной волны отклика 1-1,4 мм, высокой квантовой эффективностью, низким темновым током и высоким лавинным усилением. Выбирая различные компоненты сплава, можно добиться наилучших характеристик для определенных длин волн.
(5)InGaAs/InAlAs
Материал In0.52Al0.48As имеет запрещенную зону (1.47eV) и не поглощает в диапазоне длин волн 1.55mm. Имеются данные, что тонкий эпитаксиальный слой In0.52Al0.48As может получить лучшие характеристики усиления, чем InP в качестве слоя умножителя при условии чистой инжекции электронов.
(6)InGaAs/InGaAs(P)/InAlAs и InGaAs/In(Al) GaAs/InAlAs
Скорость ударной ионизации материалов является важным фактором, влияющим на производительность APD. Результаты показывают, что скорость ударной ионизации слоя умножителя можно улучшить, внедрив структуры сверхрешеток InGaAs (P) / InAlAs и In (Al) GaAs/InAlAs. Используя структуру сверхрешетки, зонная инженерия может искусственно контролировать асимметричный разрыв края зоны между значениями зоны проводимости и валентной зоны и гарантировать, что разрыв зоны проводимости намного больше разрыва валентной зоны (ΔEc>>ΔEv). По сравнению с объемными материалами InGaAs, скорость ионизации электронов квантовой ямы 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. Поэтому можно получить высокое произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания (GBW) и низкие шумовые характеристики, применяя сверхрешеточные структуры. Однако эту структуру квантовых ям InGaAs/InAlAs APD, которая может увеличить значение k, трудно применять 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 ям InGaAs с узкой запрещенной зоной, поэтому введение четверного сплава с широкой запрещенной зоной, такого как InGaAsP или InAlGaAs, вместо InGaAs в качестве слоя ям структуры квантовых ям может подавить темновой ток.
Время публикации: 13 ноября 2023 г.