Samenvatting: De basisstructuur en het werkingsprincipe van een lawinefotodetector (APD-fotodetector) worden geïntroduceerd, het evolutieproces van de apparaatstructuur wordt geanalyseerd, de huidige onderzoeksstatus wordt samengevat en de toekomstige ontwikkeling van APD wordt prospectief bestudeerd.
1. Inleiding
Een fotodetector is een apparaat dat lichtsignalen omzet in elektrische signalen. In eenhalfgeleider fotodetectorDe door het invallende foton aangeslagen foto-gegenereerde draaggolf komt het externe circuit binnen onder de aangelegde biasspanning en vormt een meetbare fotostroom. Zelfs bij maximale respons kan een PIN-fotodiode maximaal één paar elektron-gatparen produceren, wat een component zonder interne versterking is. Voor een hogere respons kan een lawinefotodiode (APD) worden gebruikt. Het versterkende effect van APD op de fotostroom is gebaseerd op het ionisatiebotsingseffect. Onder bepaalde omstandigheden kunnen de versnelde elektronen en gaten voldoende energie verkrijgen om met het rooster te botsen en zo een nieuw paar elektron-gatparen te produceren. Dit proces is een kettingreactie, waardoor het paar elektron-gatparen dat door lichtabsorptie wordt gegenereerd een groot aantal elektron-gatparen kan produceren en een grote secundaire fotostroom kan vormen. Daarom heeft APD een hoge respons en interne versterking, wat de signaal-ruisverhouding van het component verbetert. APD wordt voornamelijk gebruikt in langeafstands- of kleinere glasvezelcommunicatiesystemen met andere beperkingen op het ontvangen optische vermogen. Momenteel zijn veel experts op het gebied van optische apparatuur zeer optimistisch over de vooruitzichten van APD. Zij zijn van mening dat APD-onderzoek noodzakelijk is om de internationale concurrentiekracht van verwante vakgebieden te verbeteren.
2. Technische ontwikkeling vanlawine fotodetector(APD-fotodetector)
2.1 Materialen
(1)Si-fotodetector
Si-materiaaltechnologie is een volwassen technologie die veel wordt toegepast in de micro-elektronica. Deze technologie is echter niet geschikt voor de vervaardiging van apparaten in het golflengtebereik van 1,31 mm en 1,55 mm, die algemeen worden geaccepteerd in de optische communicatiesector.
(2)Ge
Hoewel de spectrale respons van Ge APD geschikt is voor de eisen van laag verlies en lage dispersie bij transmissie via optische vezels, zijn er grote uitdagingen in het voorbereidingsproces. Bovendien ligt de verhouding tussen de elektron- en gationisatiesnelheid van Ge dicht bij () 1, waardoor het moeilijk is om hoogwaardige APD-componenten te ontwikkelen.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
Het is een effectieve methode om In0,53Ga0,47As te selecteren als de lichtabsorptielaag van APD en InP als de multiplicatorlaag. De absorptiepiek van In0,53Ga0,47As is 1,65 mm, 1,31 mm en de golflengte van 1,55 mm heeft een hoge absorptiecoëfficiënt van ongeveer 104 cm-1, wat momenteel het voorkeursmateriaal is voor de absorptielaag van de lichtdetector.
(4)InGaAs-fotodetector/Infotodetector
Door InGaAsP als lichtabsorberende laag en InP als multiplicatorlaag te selecteren, kan een APD met een responsgolflengte van 1-1,4 mm, een hoge kwantumefficiëntie, een lage donkerstroom en een hoge lawineversterking worden geproduceerd. Door verschillende legeringscomponenten te selecteren, worden de beste prestaties voor specifieke golflengtes bereikt.
(5)InGaAs/InAlAs
In0,52Al0,48As-materiaal heeft een bandgap (1,47 eV) en absorbeert niet bij een golflengte van 1,55 mm. Er zijn aanwijzingen dat een dunne epitaxiale laag van In0,52Al0,48As betere versterkingseigenschappen kan verkrijgen dan InP als multiplicatorlaag onder de voorwaarde van pure elektroneninjectie.
(6)InGaAs/InGaAs (P)/InAlAs en InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
De impactionisatiesnelheid van materialen is een belangrijke factor die de prestaties van APD beïnvloedt. De resultaten tonen aan dat de botsingsionisatiesnelheid van de multiplierlaag kan worden verbeterd door de introductie van InGaAs (P) /InAlAs en In (Al) GaAs/InAlAs superroosterstructuren. Door gebruik te maken van de superroosterstructuur kan de bandengineering kunstmatig de asymmetrische discontinuïteit van de bandrand tussen de geleidingsband en de valentiebandwaarden regelen en ervoor zorgen dat de discontinuïteit van de geleidingsband veel groter is dan de discontinuïteit van de valentieband (ΔEc>>ΔEv). Vergeleken met InGaAs bulkmaterialen is de elektronenionisatiesnelheid (a) van de InGaAs/InAlAs kwantumput aanzienlijk verhoogd, en krijgen elektronen en gaten extra energie. Vanwege ΔEc>>ΔEv kan worden verwacht dat de energie die door elektronen wordt gewonnen de elektronenionisatiesnelheid veel meer verhoogt dan de bijdrage van de gatenergie aan de ionisatiesnelheid van het gat (b). De verhouding (k) van de elektronenionisatiesnelheid tot de ionisatiesnelheid van het gat neemt toe. Daarom kunnen een product met hoge versterkingsbandbreedte (GBW) en lage ruisprestaties worden verkregen door superroosterstructuren toe te passen. Deze InGaAs/InAlAs kwantumputstructuur (APD), die de k-waarde kan verhogen, is echter moeilijk toe te passen op optische ontvangers. Dit komt doordat de vermenigvuldigingsfactor die de maximale responsiviteit beïnvloedt, wordt beperkt door de donkerstroom, niet door de vermenigvuldigingsruis. In deze structuur wordt de donkerstroom voornamelijk veroorzaakt door het tunneleffect van de InGaAs putlaag met een smalle bandgap. De introductie van een quaternaire legering met een brede bandgap, zoals InGaAsP of InAlGaAs, in plaats van InGaAs als putlaag van de kwantumputstructuur, kan de donkerstroom dus onderdrukken.
Plaatsingstijd: 13-11-2023