Аннотация: Базовая структура и принцип работы лавинного фотодетектора (Фотодетектор APDПредставлены различные подходы, проанализирован процесс эволюции структуры устройства, обобщено текущее состояние исследований и рассмотрены перспективы дальнейшего развития APD.
1. Введение
Фотодетектор — это устройство, преобразующее световые сигналы в электрические.полупроводниковый фотодетекторФотогенерированные носители заряда, возбужденные падающим фотоном, поступают во внешнюю цепь под действием приложенного напряжения смещения и образуют измеримый фототок. Даже при максимальной чувствительности PIN-фотодиод может генерировать максимум пару электрон-дырочных пар, что является устройством без внутреннего усиления. Для повышения чувствительности можно использовать лавинный фотодиод (APD). Эффект усиления фототока в APD основан на эффекте ионизационного столкновения. При определенных условиях ускоренные электроны и дырки могут получить достаточно энергии для столкновения с кристаллической решеткой, образуя новую пару электрон-дырочных пар. Этот процесс представляет собой цепную реакцию, так что пара электрон-дырочных пар, генерируемая поглощением света, может создать большое количество пар электрон-дырочных пар и сформировать большой вторичный фототок. Поэтому APD обладает высокой чувствительностью и внутренним усилением, что улучшает отношение сигнал/шум устройства. APD будет в основном использоваться в системах оптической связи на большие расстояния или меньшего диаметра с другими ограничениями по принимаемой оптической мощности. В настоящее время многие специалисты в области оптических устройств очень оптимистично оценивают перспективы APD и считают, что исследования в этой области необходимы для повышения международной конкурентоспособности смежных отраслей.
2. Техническое развитиелавинный фотодетектор(Фотодетектор APD)
2.1 Материалы
(1)Кремниевый фотодетектор
Технология кремниевых материалов — это зрелая технология, широко используемая в области микроэлектроники, но она не подходит для изготовления устройств в диапазоне длин волн 1,31 мм и 1,55 мм, которые обычно принимаются в области оптической связи.
(2)Ге
Хотя спектральная характеристика Ge APD подходит для обеспечения низких потерь и низкой дисперсии в оптическом волокне, процесс их изготовления сопряжен с большими трудностями. Кроме того, отношение скоростей ионизации электронов и дырок в Ge близко к 1, поэтому сложно изготовить высокоэффективные устройства APD.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
Эффективным методом является выбор In0.53Ga0.47As в качестве светопоглощающего слоя APD и InP в качестве умножающего слоя. Пик поглощения материала In0.53Ga0.47As на длинах волн 1,65 мм, 1,31 мм и 1,55 мм имеет высокий коэффициент поглощения около 104 см⁻¹, что делает его предпочтительным материалом для поглощающего слоя детектора света в настоящее время.
(4)Фотодетектор на основе InGaAs/Вфотодетектор
Выбирая InGaAsP в качестве светопоглощающего слоя и InP в качестве умножающего слоя, можно получить лавинный фотодиод с длиной волны отклика 1-1,4 мм, высокой квантовой эффективностью, низким темновым током и высоким лавинным коэффициентом усиления. Путем выбора различных компонентов сплава достигается наилучшая производительность для конкретных длин волн.
(5)InGaAs/InAlAs
Материал In0.52Al0.48As имеет ширину запрещенной зоны (1,47 эВ) и не поглощает свет в диапазоне длин волн 1,55 мм. Имеются данные, свидетельствующие о том, что тонкий эпитаксиальный слой In0.52Al0.48As может обеспечить лучшие характеристики усиления, чем InP в качестве умножающего слоя 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 характеристики лавинного фотодиода (APD). Результаты показывают, что скорость столкновительной ионизации умножающего слоя может быть улучшена за счет введения сверхрешеточных структур InGaAs(P)/InAlAs и In(Al)GaAs/InAlAs. Использование сверхрешеточной структуры позволяет искусственно контролировать асимметричный разрыв на краю зоны проводимости и валентной зоны, обеспечивая значительно больший разрыв в зоне проводимости, чем разрыв в валентной зоне (ΔEc>>ΔEv). По сравнению с объемными материалами InGaAs, скорость ионизации электронов в квантовой яме InGaAs/InAlAs (a) значительно увеличивается, и электроны и дырки получают дополнительную энергию. Благодаря ΔEc>>ΔEv можно ожидать, что энергия, получаемая электронами, значительно увеличивает скорость ионизации электронов, 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 полосу пропускания (GBW) и низкий уровень шума могут быть достигнуты за счет применения сверхрешеточных структур. Однако такая структура APD на основе квантовых ям InGaAs/InAlAs, которая позволяет увеличить значение k, трудно применима в оптических приемниках. Это связано с тем, что коэффициент умножения, влияющий на максимальную чувствительность, ограничен током утечки, а не шумом умножения. В этой структуре ток утечки в основном обусловлен туннельным эффектом слоя InGaAs с узкой запрещенной зоной, поэтому введение широкозонного четвертичного сплава, такого как InGaAsP или InAlGaAs, вместо InGaAs в качестве слоя квантовой ямы может подавить ток утечки.
Дата публикации: 13 ноября 2023 г.