Аннотация: Основная конструкция и принцип работы лавинного фотодетектора (фотодетектор АФД) представлены, проанализирован процесс эволюции структуры 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 поглощением 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, длина волны 1,55 мм 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.