Abstract: De basisstructuur en het werkingsprincipe van een lawinefotodetector (APD-fotodetectorDe verschillende componenten 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 eenhalfgeleiderfotodetectorDe door het invallende foton opgewekte ladingsdrager komt onder invloed van de aangelegde bias-spanning in het externe circuit terecht en genereert een meetbare fotostroom. Zelfs bij maximale responsiviteit kan een PIN-fotodiode maximaal één elektron-gatpaar produceren, wat betekent dat het apparaat geen interne versterking heeft. Voor een hogere responsiviteit kan een lawinefotodiode (APD) worden gebruikt. Het versterkende effect van een 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 een nieuw elektron-gatpaar te produceren. Dit proces is een kettingreactie, waardoor het door lichtabsorptie gegenereerde elektron-gatpaar een groot aantal elektron-gatparen kan produceren en een grote secundaire fotostroom kan genereren. Daarom heeft een APD een hoge responsiviteit en interne versterking, wat de signaal-ruisverhouding van het apparaat verbetert. APD's worden voornamelijk gebruikt in langeafstands- of kleinere optische vezelcommunicatiesystemen met andere beperkingen op het ontvangen optische vermogen. Momenteel zijn veel experts op het gebied van optische apparaten zeer optimistisch over de vooruitzichten van APD's en geloven zij dat onderzoek naar APD's noodzakelijk is om de internationale concurrentiepositie van gerelateerde vakgebieden te versterken.
2. Technische ontwikkeling vanlawinefotodetector(APD-fotodetector)
2.1 Materialen
(1)Si-fotodetector
De siliciummateriaaltechnologie is een volwaardige technologie die veelvuldig wordt gebruikt in de micro-elektronica, maar is niet geschikt voor de productie van apparaten in het golflengtebereik van 1,31 mm en 1,55 mm, dat algemeen gangbaar is in de optische communicatie.
(2)Ge
Hoewel de spectrale respons van Ge APD's geschikt is voor de eisen van lage verliezen en lage dispersie bij optische vezeltransmissie, kent het productieproces grote moeilijkheden. Bovendien is de verhouding tussen de ionisatiesnelheid van elektronen en gaten in Ge bijna gelijk aan 1, waardoor het lastig is om hoogwaardige APD-apparaten te produceren.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
Het is een effectieve methode om In0.53Ga0.47As te selecteren als de lichtabsorberende laag van een APD en InP als de vermenigvuldigingslaag. De absorptiepieken van het In0.53Ga0.47As-materiaal liggen op 1,65 mm, 1,31 mm en 1,55 mm golflengte, met een hoge absorptiecoëfficiënt van ongeveer 104 cm⁻¹. Dit maakt het momenteel het voorkeursmateriaal voor de absorptielaag van lichtdetectoren.
(4)InGaAs-fotodetector/Infotodetector
Door InGaAsP als lichtabsorberende laag en InP als vermenigvuldigingslaag te selecteren, kunnen APD's met een responsgolflengte van 1-1,4 mm, een hoge kwantumrendement, een lage donkerstroom en een hoge lawineversterking worden vervaardigd. Door verschillende legeringscomponenten te selecteren, wordt de beste prestatie voor specifieke golflengten bereikt.
(5)InGaAs/InAlAs
Het materiaal In0.52Al0.48As heeft een bandgap van 1,47 eV en absorbeert niet in het golflengtebereik van 1,55 mm. Er zijn aanwijzingen dat een dunne epitaxiale laag In0.52Al0.48As betere versterkingseigenschappen kan bereiken dan InP als vermenigvuldigingslaag onder de voorwaarde van zuivere elektroneninjectie.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs en InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
De botsingsionisatiesnelheid van materialen is een belangrijke factor die de prestaties van APD beïnvloedt. De resultaten tonen aan dat de botsingsionisatiesnelheid van de vermenigvuldigingslaag 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 bandstructuur de asymmetrische bandranddiscontinuïteit tussen de geleidingsband en de valentieband kunstmatig beheersen en ervoor zorgen dat de discontinuïteit in de geleidingsband veel groter is dan die in de valentieband (ΔEc >> ΔEv). Vergeleken met bulk InGaAs-materialen is de elektronionisatiesnelheid van de InGaAs/InAlAs-kwantumput (a) significant verhoogd, en elektronen en gaten verkrijgen extra energie. Omdat ΔEc >> ΔEv, kan worden verwacht dat de energie die elektronen verkrijgen de elektronionisatiesnelheid veel meer verhoogt dan de bijdrage van de gatenenergie aan de gationisatiesnelheid (b). De verhouding (k) van de elektronionisatiesnelheid tot de gationisatiesnelheid neemt toe. Daarom kunnen een hoge versterkingsbandbreedteproduct (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 toepasbaar in optische ontvangers. Dit komt doordat de vermenigvuldigingsfactor die de maximale respons 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 bandafstand. De introductie van een quaternaire legering met een brede bandafstand, zoals InGaAsP of InAlGaAs, in plaats van InGaAs als putlaag van de kwantumputstructuur, kan de donkerstroom onderdrukken.
Geplaatst op: 13 november 2023