Sammendrag: Grunnstrukturen og arbeidsprinsippet til skredfotodetektor (APD fotodetektor) introduseres, utviklingsprosessen til enhetsstrukturen analyseres, den nåværende forskningsstatusen oppsummeres, og den fremtidige utviklingen av APD studeres prospektivt.
1. Introduksjon
En fotodetektor er en enhet som konverterer lyssignaler til elektriske signaler. I enhalvleder fotodetektor, kommer 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 respons, kan en PIN-fotodiode bare produsere et par elektron-hull-par på det meste, som er en enhet uten intern forsterkning. For større reaksjonsevne kan en skredfotodiode (APD) brukes. Amplifikasjonseffekten av APD på fotostrøm 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 med 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 respons 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 veldig optimistiske med tanke på utsiktene til APD, og mener at forskningen av APD er nødvendig for å styrke den internasjonale konkurranseevnen til relaterte 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 spredning i optisk fiberoverføring, er det store vanskeligheter i forberedelsesprosessen. I tillegg er Ges elektron- og hullioniseringshastighetsforhold nær () 1, så det er vanskelig å forberede høyytelses APD-enheter.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
Det er en effektiv metode for å velge In0.53Ga0.47As som lysabsorpsjonslaget til APD og InP som multiplikatorlaget. Absorpsjonstoppen for In0.53Ga0.47As-materiale er 1,65 mm, 1,31 mm, 1,55 mm bølgelengde er omtrent 104 cm-1 høy absorpsjonskoeffisient, som er det foretrukne materialet for absorpsjonslaget til lysdetektor for tiden.
(4)InGaAs fotodetektor/Ifotodetektor
Ved å velge InGaAsP som lysabsorberende lag og InP som multiplikatorlag, kan APD med en responsbølgelengde på 1-1,4 mm, høy kvanteeffektivitet, lav mørkestrøm og høy skredforsterkning forberedes. Ved å velge forskjellige legeringskomponenter oppnås den beste ytelsen for spesifikke bølgelengder.
(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As-materialet har et båndgap (1.47eV) og absorberer ikke ved bølgelengdeområdet 1.55 mm. Det er bevis for at tynt In0.52Al0.48As epitaksialt lag kan oppnå bedre forsterkningsegenskaper enn InP som et multiplikatorlag under betingelse av ren elektroninjeksjon.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs og InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Effektioniseringshastigheten til materialer er en viktig faktor som påvirker ytelsen til APD. Resultatene viser at kollisjons-ioniseringshastigheten 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 ledningsbåndsdiskontinuiteten er mye større enn valensbåndsdiskontinuiteten (ΔEc>>ΔEv). Sammenlignet med InGaAs bulkmaterialer økes InGaAs/InAlAs kvantebrønnelektronioniseringshastighet (a) betydelig, og elektroner og hull får ekstra energi. På grunn av ΔEc>>ΔEv kan det forventes at energien oppnådd av elektroner øker elektronioniseringshastigheten mye mer enn hullenergiens bidrag til hullioniseringshastigheten (b). Forholdet (k) mellom elektronioniseringshastighet og hullioniseringshastighet øker. Derfor kan høy gain-bandwidth-produkt (GBW) og lav støyytelse oppnås ved å bruke supergitterstrukturer. Imidlertid er denne InGaAs/InAlAs kvantebrønnstruktur APD, som kan øke k-verdien, vanskelig å bruke på optiske mottakere. Dette er fordi multiplikatorfaktoren som påvirker maksimal respons 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 bredbåndsgap kvaternær legering, slik som InGaAsP eller InAlGaAs, i stedet for InGaAs som brønnlaget av kvantebrønnstrukturen kan undertrykke den mørke strømmen.
Innleggstid: 13. november 2023