Анотація: Основна будова та принцип роботи лавинного фотоприймача (Фотодетектор APD), проаналізовано процес еволюції структури пристрою, підсумовано поточний стан досліджень та перспективно вивчено майбутній розвиток APD.
1. Вступ
Фотоприймач — пристрій, який перетворює світлові сигнали в електричні. В анапівпровідниковий фотоприймач, фотогенерований носій, збуджений падаючим фотоном, входить у зовнішній ланцюг під прикладеною напругою зміщення та формує вимірний фотострум. Навіть при максимальній чутливості PIN-фотодіод може створити лише пару електронно-діркових пар, що є пристроєм без внутрішнього посилення. Для більшої чутливості можна використовувати лавинний фотодіод (APD). Підсилювальний ефект АПД на фотострум заснований на ефекті іонізаційного зіткнення. За певних умов прискорені електрони та дірки можуть отримати достатньо енергії, щоб зіткнутися з решіткою, щоб утворити нову пару електронно-діркових пар. Цей процес є ланцюговою реакцією, так що пара електронно-діркових пар, що утворюється внаслідок поглинання світла, може утворювати велику кількість електронно-діркових пар і формувати великий вторинний фотострум. Таким чином, APD має високу чуйність і внутрішній коефіцієнт посилення, що покращує співвідношення сигнал/шум пристрою. APD буде використовуватися в основному в міжміських або менших волоконно-оптичних системах зв'язку з іншими обмеженнями на отриману оптичну потужність. Зараз багато експертів з оптичних пристроїв дуже оптимістично дивляться на перспективи APD і вважають, що дослідження APD необхідні для підвищення міжнародної конкурентоспроможності суміжних галузей.
2. Технічний розвитоклавинний фотодетектор(Фотоприймач APD)
2.1 Матеріали
(1)Si фотодетектор
Технологія матеріалів Si є зрілою технологією, яка широко використовується в галузі мікроелектроніки, але вона не підходить для підготовки пристроїв із діапазоном довжин хвиль 1,31 мм та 1,55 мм, які є загальноприйнятими в галузі оптичного зв’язку.
(2) Ge
Незважаючи на те, що спектральна характеристика Ge APD підходить для вимог низьких втрат і низької дисперсії в оптичному волокні, існують великі труднощі в процесі підготовки. Крім того, співвідношення швидкості іонізації електронів і дірок Ge близьке до () 1, тому важко підготувати високоефективні пристрої APD.
(3) In0,53Ga0,47As/InP
Це ефективний метод вибору In0,53Ga0,47As як шару поглинання світла APD та InP як шару помножувача. Пік поглинання матеріалу In0,53Ga0,47As становить 1,65 мм, 1,31 мм, довжина хвилі 1,55 мм становить приблизно 104 см-1, високий коефіцієнт поглинання, що є кращим матеріалом для шару поглинання світлового детектора на даний момент.
(4)Фотодетектор InGaAs/Вфотодетектор
Вибравши InGaAsP як світлопоглинаючий шар і InP як помножувальний шар, можна отримати APD з довжиною хвилі відгуку 1-1,4 мм, високою квантовою ефективністю, низьким темновим струмом і високим лавинним підсиленням. Завдяки вибору різних компонентів сплаву досягається найкраща продуктивність для певних довжин хвиль.
(5) InGaAs/InAlAs
Матеріал In0,52Al0,48As має ширину забороненої зони (1,47 еВ) і не поглинає в діапазоні довжин хвиль 1,55 мм. Є докази того, що тонкий епітаксійний шар In0,52Al0,48As може отримати кращі характеристики посилення, ніж InP як шар мультиплікатора за умови інжекції чистого електрона.
(6) InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs та InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Швидкість ударної іонізації матеріалів є важливим фактором, що впливає на продуктивність APD. Результати показують, що швидкість колізійної іонізації помножувального шару можна покращити шляхом введення надграткових структур InGaAs (P)/InAlAs та In (Al) GaAs/InAlAs. Використовуючи структуру надґратки, зонна інженерія може штучно контролювати розрив краю асиметричної зони між значеннями зони провідності та валентної зони та гарантувати, що розрив зони провідності є набагато більшим, ніж розрив валентної зони (ΔEc>>ΔEv). Порівняно з об’ємними матеріалами InGaAs швидкість електронної іонізації квантової ями InGaAs/InAlAs (a) значно збільшується, а електрони та дірки отримують додаткову енергію. Завдяки ΔEc>>ΔEv можна очікувати, що енергія, отримана електронами, збільшує швидкість іонізації електронів набагато більше, ніж внесок енергії дірок у швидкість іонізації дірок (b). Відношення (k) швидкості іонізації електронів до швидкості іонізації дірок зростає. Таким чином, високий добуток коефіцієнта підсилення на ширину смуги пропускання (GBW) і низький рівень шуму можуть бути отримані шляхом застосування надрешіткових структур. Однак цю структуру квантової ями InGaAs/InAlAs APD, яка може збільшити значення k, важко застосувати до оптичних приймачів. Це тому, що коефіцієнт множника, який впливає на максимальну чутливість, обмежений темновим струмом, а не шумом множника. У цій структурі темновий струм в основному спричинений ефектом тунелювання шару ям InGaAs із вузькою забороненою зоною, тому введення четвертинного сплаву з широкою забороненою зоною, такого як InGaAsP або InAlGaAs, замість InGaAs як шару ям структури квантової ями може пригнічувати темновий струм.
Час публікації: 13 листопада 2023 р