Abstrakt: Den grundlæggende struktur og arbejdsprincip for lavinefotodetektor (APD fotodetektor) introduceres, evolutionsprocessen for enhedsstrukturen analyseres, den aktuelle forskningsstatus opsummeres, og den fremtidige udvikling af APD studeres prospektivt.
1. Introduktion
En fotodetektor er en enhed, der konverterer lyssignaler til elektriske signaler. I enhalvleder fotodetektor, kommer den fotogenererede bærer exciteret af den indfaldende foton ind i det eksterne kredsløb under den påførte forspænding og danner en målbar fotostrøm. Selv ved den maksimale reaktionsevne kan en PIN-fotodiode højst producere et par elektron-hul-par, hvilket er en enhed uden intern forstærkning. For større reaktionsevne kan en lavinefotodiode (APD) bruges. Amplifikationseffekten af APD på fotostrøm er baseret på ioniseringskollisionseffekten. Under visse forhold kan de accelererede elektroner og huller opnå nok energi til at kollidere med gitteret til at producere et nyt par elektron-hul-par. Denne proces er en kædereaktion, således at parret af elektron-hul-par genereret ved lysabsorption kan producere et stort antal elektron-hul-par og danne en stor sekundær fotostrøm. Derfor har APD høj reaktionsevne og intern forstærkning, hvilket forbedrer enhedens signal-til-støj-forhold. APD vil hovedsageligt blive brugt i langdistance- eller mindre optiske fiberkommunikationssystemer med andre begrænsninger på den modtagne optiske effekt. På nuværende tidspunkt er mange eksperter i optiske anordninger meget optimistiske med hensyn til udsigterne for APD og mener, at forskningen i APD er nødvendig for at øge den internationale konkurrenceevne i beslægtede områder.
2. Teknisk udvikling aflavine fotodetektor(APD fotodetektor)
2.1 Materialer
(1)Si fotodetektor
Si-materialeteknologi er en moden teknologi, der er meget udbredt inden for mikroelektronik, men den er ikke egnet til fremstilling af enheder i bølgelængdeområdet på 1,31 mm og 1,55 mm, der er generelt accepteret inden for optisk kommunikation.
(2)Ge
Selvom den spektrale respons af Ge APD er velegnet til kravene om lavt tab og lav spredning i optisk fibertransmission, er der store vanskeligheder i forberedelsesprocessen. Derudover er Ges elektron- og hulioniseringshastighedsforhold tæt på () 1, så det er vanskeligt at forberede højtydende APD-enheder.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
Det er en effektiv metode til at vælge In0.53Ga0.47As som lysabsorptionslaget for APD og InP som multiplikatorlaget. Absorptionstoppen for In0.53Ga0.47As-materiale er 1,65 mm, 1,31 mm, 1,55 mm bølgelængde er omkring 104 cm-1 høj absorptionskoefficient, hvilket er det foretrukne materiale til absorptionslaget af lysdetektor på nuværende tidspunkt.
(4)InGaAs fotodetektor/Ifotodetektor
Ved at vælge InGaAsP som det lysabsorberende lag og InP som multiplikatorlaget kan APD med en responsbølgelængde på 1-1,4 mm, høj kvanteeffektivitet, lav mørkestrøm og høj lavineforstærkning forberedes. Ved at vælge forskellige legeringskomponenter opnås den bedste ydeevne for specifikke bølgelængder.
(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As-materialet har et båndgab (1.47eV) og absorberer ikke ved bølgelængdeområdet på 1.55 mm. Der er bevis for, at tyndt In0.52Al0.48As epitaksiallag kan opnå bedre forstærkningsegenskaber end InP som et multiplikatorlag under betingelse af ren elektroninjektion.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs og InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Materialernes slagioniseringshastighed er en vigtig faktor, der påvirker ydeevnen af APD. Resultaterne viser, at multiplikatorlagets kollisionsioniseringshastighed kan forbedres ved at introducere InGaAs (P)/InAlAs og In (Al) GaAs/InAlAs supergitterstrukturer. Ved at bruge supergitterstrukturen kan båndkonstruktionen kunstigt kontrollere den asymmetriske båndkantdiskontinuitet mellem ledningsbåndet og valensbåndværdierne og sikre, at ledningsbåndets diskontinuitet er meget større end valensbåndsdiskontinuiteten (ΔEc>>ΔEv). Sammenlignet med InGaAs bulkmaterialer øges InGaAs/InAlAs kvantebrøndelektronioniseringshastighed (a) betydeligt, og elektroner og huller får ekstra energi. På grund af ΔEc>>ΔEv kan det forventes, at energien opnået af elektroner øger elektronioniseringshastigheden meget mere end hulenergiens bidrag til hulioniseringshastigheden (b). Forholdet (k) mellem elektronioniseringshastighed og hulioniseringshastighed stiger. Derfor kan høj gain-bandwidth product (GBW) og lav støj ydeevne opnås ved at anvende supergitterstrukturer. Denne InGaAs/InAlAs kvantebrøndstruktur APD, som kan øge k-værdien, er imidlertid svær at anvende på optiske modtagere. Dette skyldes, at multiplikatorfaktoren, der påvirker den maksimale reaktionsevne, er begrænset af den mørke strøm, ikke multiplikatorstøjen. I denne struktur er den mørke strøm hovedsageligt forårsaget af tunneleffekten af InGaAs-brøndlaget med et smalbåndsgab, så indførelsen af en bredbåndsgab-kvartær legering, såsom InGaAsP eller InAlGaAs, i stedet for InGaAs som brøndlaget af kvantebrøndstrukturen kan undertrykke den mørke strøm.
Indlægstid: 13-november 2023