Sammendrag: Grunnleggende struktur og virkemåte for en skredfotodetektor (APD-fotodetektor) introduseres, utviklingsprosessen til enhetsstrukturen analyseres, gjeldende forskningsstatus oppsummeres, og den fremtidige utviklingen av APD studeres prospektivt.
1. Innledning
En fotodetektor er en enhet som konverterer lyssignaler til elektriske signaler. I enhalvlederfotodetektor, går den fotogenererte bæreren som eksiteres av det innfallende fotonet inn i den eksterne kretsen under den påførte forspenningen og danner en målbar fotostrøm. Selv ved maksimal responsivitet kan en PIN-fotodiode bare produsere et par elektron-hull-par, som er en enhet uten intern forsterkning. For større responsivitet kan en lavinefotodiode (APD) brukes. Forsterkningseffekten av APD på fotostrømmen er basert på ioniseringskollisjonseffekten. Under visse forhold kan de akselererte elektronene og hullene få nok energi til å kollidere med gitteret for å produsere et nytt par elektron-hull-par. Denne prosessen er en kjedereaksjon, slik at paret av elektron-hull-par generert av lysabsorpsjon kan produsere et stort antall elektron-hull-par og danne en stor sekundær fotostrøm. Derfor har APD høy responsivitet og intern forsterkning, noe som forbedrer signal-til-støy-forholdet til enheten. APD vil hovedsakelig bli brukt i langdistanse- eller mindre optiske fiberkommunikasjonssystemer med andre begrensninger på den mottatte optiske effekten. For tiden er mange eksperter på optiske enheter svært optimistiske med tanke på utsiktene til APD, og mener at forskningen på APD er nødvendig for å styrke den internasjonale konkurranseevnen til beslektede felt.
2. Teknisk utvikling avskredfotodetektor(APD-fotodetektor)
2.1 Materialer
(1)Si-fotodetektor
Si-materialteknologi er en moden teknologi som er mye brukt innen mikroelektronikk, men den er ikke egnet for fremstilling av enheter i bølgelengdeområdet 1,31 mm og 1,55 mm som er generelt akseptert innen optisk kommunikasjon.
(2) Ge
Selv om den spektrale responsen til Ge APD er egnet for kravene til lavt tap og lav dispersjon i optisk fiberoverføring, er det store vanskeligheter i forberedelsesprosessen. I tillegg er Ges elektron- og hullioniseringsrateforhold nær () 1, så det er vanskelig å fremstille APD-enheter med høy ytelse.
(3) In0,53Ga0,47As/InP
Det er en effektiv metode å velge In0.53Ga0.47As som lysabsorpsjonslag i APD og InP som multiplikatorlag. Absorpsjonstoppen til In0.53Ga0.47As-materialet er 1,65 mm, 1,31 mm, 1,55 mm bølgelengde og har en høy absorpsjonskoeffisient på omtrent 104 cm-1, som er det foretrukne materialet for absorpsjonslag i lysdetektorer for tiden.
(4)InGaAs fotodetektor/Ifotodetektor
Ved å velge InGaAsP som lysabsorberende lag og InP som multiplikatorlag, kan man fremstille APD med en responsbølgelengde på 1–1,4 mm, høy kvanteeffektivitet, lav mørkestrøm og høy skredforsterkning. Ved å velge forskjellige legeringskomponenter oppnås den beste ytelsen for spesifikke bølgelengder.
(5) InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As-materialet har et båndgap (1,47 eV) og absorberer ikke i bølgelengdeområdet 1,55 mm. Det finnes bevis for at et tynt In0.52Al0.48As epitaksialt lag kan oppnå bedre forsterkningsegenskaper enn InP som et multiplikatorlag under forutsetning av ren elektroninjeksjon.
(6) InGaAs/InGaAs (P)/InAlAs og InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Materialenes støtioniseringshastighet er en viktig faktor som påvirker ytelsen til APD. Resultatene viser at kollisjonsioniseringshastigheten til multiplikatorlaget kan forbedres ved å introdusere InGaAs (P) /InAlAs og In (Al) GaAs/InAlAs supergitterstrukturer. Ved å bruke supergitterstrukturen kan båndteknikken kunstig kontrollere den asymmetriske båndkantdiskontinuiteten mellom ledningsbåndet og valensbåndverdiene, og sikre at ledningsbånddiskontinuiteten er mye større enn valensbånddiskontinuiteten (ΔEc>>ΔEv). Sammenlignet med InGaAs bulkmaterialer økes InGaAs/InAlAs kvantebrønnelektronioniseringshastigheten (a) betydelig, og elektroner og hull får ekstra energi. På grunn av ΔEc>>ΔEv kan det forventes at energien som elektronene får øker elektronioniseringshastigheten mye mer enn bidraget fra hullenergi til hullioniseringshastigheten (b). Forholdet (k) mellom elektronioniseringshastigheten og hullioniseringshastigheten øker. Derfor kan man oppnå et produkt med høyt forsterkningsbåndbreddeprodukt (GBW) og lav støy ved å bruke supergitterstrukturer. Denne InGaAs/InAlAs-kvantebrønnstrukturens APD, som kan øke k-verdien, er imidlertid vanskelig å anvende på optiske mottakere. Dette er fordi multiplikatorfaktoren som påvirker maksimal responsivitet er begrenset av den mørke strømmen, ikke multiplikatorstøyen. I denne strukturen er den mørke strømmen hovedsakelig forårsaket av tunneleffekten av InGaAs-brønnlaget med et smalt båndgap, så introduksjonen av en kvaternær legering med bredt båndgap, for eksempel InGaAsP eller InAlGaAs, i stedet for InGaAs som brønnlag i kvantebrønnstrukturen, kan undertrykke den mørke strømmen.
Publisert: 13. november 2023