Resumé: Den grundlæggende struktur og funktionsprincippet for lavinefotodetektoren (APD-fotodetektor) introduceres, udviklingsprocessen for enhedsstrukturen analyseres, den nuværende forskningsstatus opsummeres, og den fremtidige udvikling af APD undersøges prospektivt.
1. Introduktion
En fotodetektor er en enhed, der omdanner lyssignaler til elektriske signaler. I enhalvlederfotodetektor, den fotogenererede bærer, der exciteres af den indfaldende foton, kommer ind i det eksterne kredsløb under den påførte biasspænding og danner en målbar fotostrøm. Selv ved maksimal responsivitet kan en PIN-fotodiode kun producere et par elektron-hul-par, hvilket er en enhed uden intern forstærkning. For større responsivitet kan en lavinefotodiode (APD) anvendes. Forstærkningseffekten af APD på fotostrømmen er baseret på ioniseringskollisionseffekten. Under visse betingelser kan de accelererede elektroner og huller opnå nok energi til at kollidere med gitteret for at producere et nyt par elektron-hul-par. Denne proces er en kædereaktion, således at parret af elektron-hul-par, der genereres ved lysabsorption, kan producere et stort antal elektron-hul-par og danne en stor sekundær fotostrøm. Derfor har APD høj responsivitet og intern forstærkning, hvilket forbedrer enhedens signal-støj-forhold. APD vil primært blive brugt i langdistance- eller mindre optiske fiberkommunikationssystemer med andre begrænsninger på den modtagne optiske effekt. I øjeblikket er mange eksperter inden for optiske apparater meget optimistiske med hensyn til udsigterne for APD og mener, at forskning i APD er nødvendig for at forbedre den internationale konkurrenceevne inden for relaterede områder.
2. Teknisk udvikling aflavinefotodetektor(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 1,31 mm og 1,55 mm, som generelt er accepterede inden for optisk kommunikation.
(2) Ge
Selvom Ge APD's spektrale respons er egnet til kravene om lavt tab og lav dispersion i optisk fibertransmission, er der store vanskeligheder i fremstillingsprocessen. Derudover er Ge's elektron- og hulioniseringshastighedsforhold tæt på () 1, så det er vanskeligt at fremstille højtydende APD-enheder.
(3) In0,53Ga0,47As/InP
Det er en effektiv metode at vælge In0.53Ga0.47As som lysabsorptionslag i APD og InP som multiplikatorlag. Absorptionstoppen for In0.53Ga0.47As-materialet er 1,65 mm, 1,31 mm, 1,55 mm bølgelængde og har en høj absorptionskoefficient på omkring 104 cm-1, hvilket er det foretrukne materiale til absorptionslaget i lysdetektorer i øjeblikket.
(4)InGaAs fotodetektor/Ifotodetektor
Ved at vælge InGaAsP som lysabsorberende lag og InP som multiplikatorlag kan der fremstilles APD med en responsbølgelængde på 1-1,4 mm, høj kvanteeffektivitet, lav mørkestrøm og høj lavineforstærkning. Ved at vælge forskellige legeringskomponenter opnås den bedste ydeevne for specifikke bølgelængder.
(5) InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As-materialet har et båndgab (1,47 eV) og absorberer ikke i bølgelængdeområdet 1,55 mm. Der er bevis for, at et tyndt In0.52Al0.48As epitaksialt lag kan opnå bedre forstærkningsegenskaber end InP som multiplikatorlag under betingelse af ren elektroninjektion.
(6) InGaAs/InGaAs (P)/InAlAs og InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Materialernes stødioniseringshastighed er en vigtig faktor, der påvirker APD's ydeevne. Resultaterne viser, at kollisioniseringshastigheden for multiplikatorlaget kan forbedres ved at introducere InGaAs (P) /InAlAs og In (Al) GaAs/InAlAs supergitterstrukturer. Ved at bruge supergitterstrukturen kan båndteknikken kunstigt kontrollere den asymmetriske båndkantdiskontinuitet mellem ledningsbåndet og valensbåndsværdierne og sikre, at ledningsbånddiskontinuiteten er meget større end valensbånddiskontinuiteten (ΔEc>>ΔEv). Sammenlignet med InGaAs bulkmaterialer øges InGaAs/InAlAs kvantebrøndelektronioniseringshastigheden (a) betydeligt, og elektroner og huller får ekstra energi. På grund af ΔEc>>ΔEv kan det forventes, at den energi, der opnås af elektroner, øger elektronioniseringshastigheden meget mere end bidraget fra hulenergi til hulioniseringshastigheden (b). Forholdet (k) mellem elektronioniseringshastigheden og hulioniseringshastigheden stiger. Derfor kan et højt forstærkningsbåndbreddeprodukt (GBW) og lav støjydelse opnås ved at anvende supergitterstrukturer. Denne InGaAs/InAlAs kvantebrøndstruktur APD, som kan øge k-værdien, er imidlertid vanskelig at anvende på optiske modtagere. Dette skyldes, at multiplikatorfaktoren, der påvirker den maksimale responsivitet, er begrænset af den mørke strøm, ikke multiplikatorstøjen. I denne struktur er den mørke strøm hovedsageligt forårsaget af tunneleffekten af InGaAs-brøndlaget med et smalt båndgab, så introduktionen af en kvaternær legering med bredt båndgab, såsom InGaAsP eller InAlGaAs, i stedet for InGaAs som brøndlag i kvantebrøndstrukturen kan undertrykke den mørke strøm.
Opslagstidspunkt: 13. november 2023