Аннотация: Основная конструкция и принцип работы лавинного фотодетектора (фотодетектор АФД) представлены, проанализирован процесс эволюции конструкции устройства, обобщено современное состояние исследований и перспективно изучены перспективы развития ЛПД.
1. Введение
Фотодетектор — это устройство, преобразующее световые сигналы в электрические сигналы. Вполупроводниковый фотодетекторфотогенерированный носитель, возбужденный падающим фотоном, попадает во внешнюю цепь под приложенным напряжением смещения и формирует измеримый фототок. Даже при максимальной чувствительности PIN-фотодиод может генерировать максимум пару электронно-дырочных пар, что является устройством без внутреннего усиления. Для большей оперативности можно использовать лавинный фотодиод (ЛФД). Эффект усиления ЛФД на фототок основан на эффекте ионизационных столкновений. При определенных условиях ускоренные электроны и дырки могут получить достаточно энергии, чтобы столкнуться с решеткой и образовать новую пару электронно-дырочных пар. Этот процесс представляет собой цепную реакцию, так что пара электронно-дырочных пар, генерируемая в результате поглощения света, может производить большое количество электронно-дырочных пар и образовывать большой вторичный фототок. Таким образом, APD имеет высокую отзывчивость и внутреннее усиление, что улучшает соотношение сигнал/шум устройства. APD в основном будет использоваться в системах оптоволоконной связи на большие расстояния или небольших размеров с другими ограничениями на принимаемую оптическую мощность. В настоящее время многие эксперты по оптическим устройствам очень оптимистично оценивают перспективы APD и считают, что исследование APD необходимо для повышения международной конкурентоспособности смежных областей.
2. Техническое развитиелавинный фотодетектор(фотодетектор APD)
2.1 Материалы
(1)Si фотодетектор
Технология материалов Si — это зрелая технология, которая широко используется в области микроэлектроники, но она не подходит для изготовления устройств в диапазоне длин волн 1,31 мм и 1,55 мм, которые общеприняты в области оптической связи.
(2)Ге
Хотя спектральный отклик Ge APD соответствует требованиям низких потерь и низкой дисперсии при передаче по оптическому волокну, в процессе подготовки возникают большие трудности. Кроме того, соотношение скоростей ионизации электронов и дырок Ge близко к () 1, поэтому сложно подготовить высокопроизводительные устройства APD.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
Это эффективный метод выбора In0,53Ga0,47As в качестве светопоглощающего слоя ЛФД и InP в качестве слоя умножителя. Пик поглощения материала In0,53Ga0,47As составляет 1,65 мм, 1,31 мм, 1,55 мм. Длина волны составляет около 104 см-1. Высокий коэффициент поглощения, который в настоящее время является предпочтительным материалом для поглощающего слоя детектора света.
(4)Фотодетектор InGaAs/Вфотодетектор
Выбрав InGaAsP в качестве светопоглощающего слоя и InP в качестве слоя умножителя, можно получить ЛФД с длиной волны отклика 1–1,4 мм, высокой квантовой эффективностью, низким темновым током и высоким лавинным усилением. Путем выбора различных компонентов сплава достигаются наилучшие характеристики для определенных длин волн.
(5)InGaAs/InAlAs
Материал In0,52Al0,48As имеет ширину запрещенной зоны (1,47 эВ) и не поглощает в диапазоне длин волн 1,55 мм. Имеются данные о том, что тонкий эпитаксиальный слой In0,52Al0,48As может получить лучшие характеристики усиления, чем InP, в качестве слоя мультипликатора 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 ЛФД. Результаты показывают, что скорость столкновительной ионизации слоя умножителя можно повысить путем введения сверхрешеточных структур 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, чем разрыв валентной зоны (ΔEc>>ΔEv). По сравнению с объемными материалами InGaAs скорость ионизации электронов в квантовых ямах InGaAs/InAlAs (а) значительно увеличивается, а электроны и дырки получают дополнительную энергию. Благодаря ΔEc>>ΔEv можно ожидать, что энергия, полученная 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 соотношение коэффициента усиления и полосы пропускания (GBW) и низкие шумовые характеристики могут быть получены путем применения сверхрешеточных структур. Однако эту структуру APD с квантовыми ямами InGaAs/InAlAs, которая может увеличить значение k, трудно применить в оптических приемниках. Это связано с тем, что коэффициент множителя, влияющий на максимальную чувствительность, ограничивается темновым током, а не шумом множителя. В этой структуре темновой ток в основном вызван туннельным эффектом ямочного слоя InGaAs с узкой запрещенной зоной, поэтому введение в качестве ямного слоя широкозонного четверного сплава, такого как InGaAsP или InAlGaAs, вместо InGaAs структуры квантовой ямы может подавить темновой ток.
Время публикации: 13 ноября 2023 г.