Abstract: Lavīnu fotodetektora pamatstruktūra un darbības princips (APD fotodetektors) tiek iepazīstināti, analizēts ierīces struktūras evolūcijas process, apkopots pašreizējais pētījuma statuss un perspektīvi izpētīta APD turpmākā attīstība.
1. Ievads
Fotodetektors ir ierīce, kas pārvērš gaismas signālus elektriskos signālos. In apusvadītāju fotodetektors, foto ģenerētais nesējs, ko ierosina krītošais fotons, nonāk ārējā ķēdē zem pielietotā nobīdes sprieguma un veido izmērāmu fotostrāvu. Pat pie maksimālās reaģētspējas PIN fotodiode var radīt tikai pāris elektronu caurumu pārus, kas ir ierīce bez iekšēja pastiprinājuma. Lai panāktu lielāku atsaucību, var izmantot lavīnas fotodiodi (APD). APD pastiprināšanas efekts uz fotostrāvu ir balstīts uz jonizācijas sadursmes efektu. Noteiktos apstākļos paātrinātie elektroni un caurumi var iegūt pietiekami daudz enerģijas, lai sadurtos ar režģi, lai izveidotu jaunu elektronu caurumu pāri. Šis process ir ķēdes reakcija, lai elektronu caurumu pāru pāris, ko rada gaismas absorbcija, 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 saņemtās optiskās jaudas ierobežojumiem. Šobrīd daudzi optisko ierīču eksperti ir ļoti optimistiski noskaņoti par APD perspektīvām un uzskata, ka APD izpēte ir nepieciešama, lai veicinātu saistīto jomu 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 tādu ierīču sagatavošanai viļņu garuma diapazonā no 1,31 mm un 1,55 mm, kuras ir vispārpieņemtas optiskās komunikācijas jomā.
(2) Ģe
Lai gan Ge APD spektrālā reakcija ir piemērota zema zuduma un zemas dispersijas prasībām optiskās šķiedras pārraidē, sagatavošanas procesā ir 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
Tā ir efektīva metode, lai atlasītu 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 šobrīd ir vēlamais materiāls gaismas detektora absorbcijas slānim.
(4)InGaAs fotodetektors/Iekšāfotodetektors
Izvēloties InGaAsP kā gaismu absorbējošo slāni un InP kā reizinātāja slāni, var sagatavot APD ar reakcijas viļņa garumu 1-1,4 mm, augstu kvantu efektivitāti, zemu tumšo strāvu un lielu lavīnas pieaugumu. Izvēloties dažādas sakausējuma sastāvdaļas, tiek sasniegta vislabākā 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 var iegūt labākus pastiprinājuma raksturlielumus nekā InP kā reizinātāja slānis tīras elektronu injekcijas apstākļos.
(6)InGaAs/InGaAs (P)/InAlAs un InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Materiālu triecienjonizācijas 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 virsrežģa struktūras. Izmantojot virsrežģa struktūru, joslu inženierija var mākslīgi kontrolēt asimetriskas joslas malas pārtraukumu starp vadītspējas joslu un valences joslas vērtībām un nodrošināt, ka vadīšanas joslas pārtraukums ir daudz lielāks nekā valences joslas pārtraukums (ΔEc>> ΔEv). Salīdzinot ar InGaAs beztaras materiāliem, InGaAs / InAlAs kvantu akas elektronu jonizācijas ātrums ( a ) ir ievērojami palielināts, un elektroni un caurumi iegūst papildu enerģiju. Sakarā ar ΔEc>>ΔEv, var sagaidīt, ka elektronu iegūtā enerģija palielina elektronu jonizācijas ātrumu daudz vairāk nekā cauruma enerģijas devums cauruma jonizācijas ātrumā (b). Elektronu jonizācijas ātruma attiecība (k) pret cauruma jonizācijas ātrumu palielinās. Tāpēc lielu pastiprinājuma joslas platuma produktu (GBW) un zemu trokšņa veiktspēju var iegūt, izmantojot virsrežģa struktūras. Tomēr šo InGaAs / InAlAs kvantu akas struktūras APD, kas var palielināt k vērtību, ir grūti piemērot optiskajiem uztvērējiem. 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 atstarpi, tāpēc urbuma slāņa InGaAs vietā tiek ieviests platjoslas spraugas kvartāra sakausējums, piemēram, InGaAsP vai InAlGaAs. kvantu akas struktūra var nomākt tumšo strāvu.
Izlikšanas laiks: 13. nov. 2023