Kopsavilkums: Lavīnu fotodetektora pamatstruktūra un darbības princips (APD fotodetektors) tiek ieviesti, tiek analizēts ierīces struktūras evolūcijas process, apkopots pašreizējais pētījumu statuss un perspektīvi pētīta APD turpmākā attīstība.
1. Ievads
Fotodetektors ir ierīce, kas pārveido gaismas signālus elektriskos signālos.pusvadītāju fotodetektors, ienākošā fotona ierosinātais fotoģenerētais nesējs zem pielietotā slīpo spriegumu nonāk ārējā ķēdē un veido izmērāmu fotostrāvu. Pat pie maksimālās reaģētspējas PIN fotodiode var radīt ne vairāk kā tikai elektronu-caurumu pārus, kas ir ierīce bez iekšējā pastiprinājuma. Lai panāktu lielāku reaģētspēju, var izmantot lavīnas fotodiodi (APD). APD pastiprināšanas ietekme uz fotostrāvu ir balstīta uz jonizācijas sadursmes efektu. Noteiktos apstākļos paātrinātie elektroni un caurumi var iegūt pietiekami daudz enerģijas, lai sadurtos ar režģi un radītu jaunu elektronu-caurumu pāru pāri. Šis process ir ķēdes reakcija, tāpēc gaismas absorbcijas radītais elektronu-caurumu pāru pāris var radīt lielu skaitu elektronu-caurumu pāru un veidot lielu sekundāro fotostrāvu. Tāpēc APD ir augsta reaģētspēja un iekšējais pastiprinājums, kas uzlabo ierīces signāla un trokšņa attiecību. APD galvenokārt tiks izmantots tālsatiksmes vai mazākās optisko šķiedru sakaru sistēmās ar citiem uztvertās optiskās jaudas ierobežojumiem. Pašlaik daudzi optisko ierīču eksperti ir ļoti optimistiski noskaņoti par APD perspektīvām un uzskata, ka APD pētījumi ir nepieciešami, lai uzlabotu saistīto nozaru starptautisko konkurētspēju.
2. Tehniskā attīstībalavīnu fotodetektors(APD fotodetektors)
2.1 Materiāli
(1)Si fotodetektors
Si materiālu tehnoloģija ir nobriedusi tehnoloģija, ko plaši izmanto mikroelektronikas jomā, taču tā nav piemērota ierīču ražošanai viļņu garuma diapazonā no 1,31 mm līdz 1,55 mm, kas ir vispārpieņemtas optiskās komunikācijas jomā.
(2) Ge
Lai gan Ge APD spektrālā reakcija ir piemērota optisko šķiedru pārraides zemu zudumu un zemas dispersijas prasībām, sagatavošanas procesā pastāv lielas grūtības. Turklāt Ge elektronu un caurumu jonizācijas ātruma attiecība ir tuvu () 1, tāpēc ir grūti sagatavot augstas veiktspējas APD ierīces.
(3) In0,53Ga0,47As/InP
Efektīva metode ir izvēlēties In0.53Ga0.47As kā APD gaismas absorbcijas slāni un InP kā reizinātāja slāni. In0.53Ga0.47As materiāla absorbcijas maksimums ir 1,65 mm, 1,31 mm, 1,55 mm viļņa garums ir aptuveni 104 cm-1, augsts absorbcijas koeficients, kas pašlaik ir vēlamais materiāls gaismas detektora absorbcijas slānim.
(4)InGaAs fotodetektors/Iekšāfotodetektors
Izvēloties InGaAsP kā gaismu absorbējošu slāni un InP kā reizinātāja slāni, var iegūt APD ar atbildes viļņa garumu 1–1,4 mm, augstu kvantu efektivitāti, zemu tumšo strāvu un augstu lavīnas pastiprinājumu. Izvēloties dažādus sakausējuma komponentus, tiek panākta labākā veiktspēja noteiktiem viļņu garumiem.
(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As materiālam ir joslas sprauga (1,47 eV) un tas neabsorbē viļņu garuma diapazonā 1,55 mm. Ir pierādījumi, ka plāns In0.52Al0.48As epitaksiālais slānis tīras elektronu injekcijas apstākļos var iegūt labākus pastiprinājuma raksturlielumus nekā InP kā multiplikatora slānis.
(6)InGaAs/InGaAs (P)/InAlAs un InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Materiālu trieciena jonizācijas ātrums ir svarīgs faktors, kas ietekmē APD veiktspēju. Rezultāti liecina, ka reizinātāja slāņa sadursmes jonizācijas ātrumu var uzlabot, ieviešot InGaAs (P)/InAlAs un In (Al) GaAs/InAlAs superrežģa struktūras. Izmantojot superrežģa struktūru, joslu inženierija var mākslīgi kontrolēt asimetrisko joslas malas pārtraukumu starp vadītspējas joslas un valences joslas vērtībām un nodrošināt, ka vadītspējas joslas pārtraukums ir daudz lielāks nekā valences joslas pārtraukums (ΔEc>>ΔEv). Salīdzinot ar InGaAs tilpuma materiāliem, InGaAs/InAlAs kvantu aku elektronu jonizācijas ātrums (a) ir ievērojami palielināts, un elektroni un caurumi iegūst papildu enerģiju. ΔEc>>ΔEv dēļ var sagaidīt, ka elektronu iegūtā enerģija palielina elektronu jonizācijas ātrumu daudz vairāk nekā caurumu enerģijas ieguldījums caurumu jonizācijas ātrumā (b). Elektronu jonizācijas ātruma un caurumu jonizācijas ātruma attiecība (k) palielinās. Tādēļ, izmantojot superrežģa struktūras, var iegūt augstu pastiprinājuma joslas platuma reizinājumu (GBW) un zemu trokšņa līmeni. Tomēr šo InGaAs/InAlAs kvantu akas struktūras APD, kas var palielināt k vērtību, ir grūti pielietot optiskajos uztvērējos. Tas ir tāpēc, ka reizinātāja koeficientu, kas ietekmē maksimālo atsaucību, ierobežo tumšā strāva, nevis reizinātāja troksnis. Šajā struktūrā tumšo strāvu galvenokārt izraisa InGaAs akas slāņa tunelēšanas efekts ar šauru joslas spraugu, tāpēc platas joslas spraugas kvaternārā sakausējuma, piemēram, InGaAsP vai InAlGaAs, ieviešana InGaAs vietā kā kvantu akas struktūras akas slānis var nomākt tumšo strāvu.
Publicēšanas laiks: 2023. gada 13. novembris