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 fotodetector, komt de foto-gegenereerde drager die wordt geëxciteerd door het invallende foton het externe circuit binnen onder de aangelegde voorspanning en vormt een meetbare fotostroom.Zelfs bij maximale responsiviteit kan een PIN-fotodiode hoogstens een paar elektronen-gatparen produceren, wat een apparaat is zonder interne versterking.Voor een grotere responsiviteit 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 een nieuw paar elektron-gatparen te produceren.Dit proces is een kettingreactie, zodat het paar elektron-gatparen gegenereerd door lichtabsorptie een groot aantal elektron-gatparen kan produceren en een grote secundaire fotostroom kan vormen.Daarom heeft APD een hoge responsiviteit en interne versterking, wat de signaal-ruisverhouding van het apparaat verbetert.APD zal voornamelijk worden gebruikt in langeafstands- of kleinere optische vezelcommunicatiesystemen met andere beperkingen op het ontvangen optische vermogen.Op dit moment zijn veel deskundigen op het gebied van optische apparatuur zeer optimistisch over de vooruitzichten van APD, en zijn zij van mening dat het onderzoek naar APD noodzakelijk is om het internationale concurrentievermogen van aanverwante vakgebieden te vergroten.
2. Technische ontwikkeling vanlawine fotodetector(APD-fotodetector)
2.1 Materialen
(1)Si fotodetector
Si-materiaaltechnologie is een volwassen technologie die veel wordt gebruikt op het gebied van micro-elektronica, maar niet geschikt is voor de vervaardiging van apparaten in het golflengtebereik van 1,31 mm en 1,55 mm die algemeen geaccepteerd zijn op het gebied van optische communicatie.
(2)Ge
Hoewel de spectrale respons van Ge APD geschikt is voor de vereisten van laag verlies en lage dispersie bij transmissie van optische vezels, zijn er grote problemen bij het voorbereidingsproces.Bovendien ligt de verhouding tussen de elektronen- en gationisatiesnelheid van Ge dicht bij () 1, dus het is moeilijk om hoogwaardige APD-apparaten te vervaardigen.
(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 vermenigvuldigingslaag.De absorptiepiek van In0,53Ga0,47As-materiaal is 1,65 mm, 1,31 mm, de golflengte van 1,55 mm is ongeveer 104 cm-1 hoge absorptiecoëfficiënt, wat momenteel het voorkeursmateriaal is voor de absorptielaag van lichtdetector.
(4)InGaAs fotodetector/Infotodetector
Door InGaAsP als de lichtabsorberende laag en InP als de vermenigvuldigingslaag te selecteren, kan APD met een responsgolflengte van 1-1,4 mm, hoge kwantumefficiëntie, lage donkerstroom en hoge lawineversterking worden voorbereid.Door verschillende legeringscomponenten te selecteren, worden de beste prestaties voor specifieke golflengten bereikt.
(5)InGaAs/InAlAs
In0,52Al0,48As materiaal heeft een bandafstand (1,47eV) en absorbeert niet bij een golflengtebereik van 1,55 mm.Er zijn aanwijzingen dat de dunne In0.52Al0.48As epitaxiale laag betere versterkingseigenschappen kan verkrijgen dan InP als vermenigvuldigerlaag 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 laten zien dat de botsingionisatiesnelheid van de vermenigvuldigingslaag kan worden verbeterd door het introduceren van InGaAs (P) /InAlAs en In (Al) GaAs/InAlAs superroosterstructuren.Door gebruik te maken van de superroosterstructuur kan de bandtechniek de asymmetrische bandranddiscontinuïteit tussen de geleidingsband- en de valentiebandwaarden kunstmatig controleren, 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 van InGaAs/InAlAs-kwantumputten (a) aanzienlijk verhoogd, en krijgen elektronen en gaten extra energie.Vanwege ΔEc>>ΔEv kan worden verwacht dat de door elektronen gewonnen energie de elektronenionisatiesnelheid veel meer verhoogt dan de bijdrage van gatenergie aan de gationisatiesnelheid (b).De verhouding (k) tussen de snelheid van de elektronenionisatie en de snelheid van de gatenionisatie neemt toe.Daarom kunnen een product met hoge versterkingsbandbreedte (GBW) en prestaties met lage ruis worden verkregen door superroosterstructuren toe te passen.Deze InGaAs/InAlAs kwantumbronstructuur APD, die de k-waarde kan verhogen, is echter moeilijk toe te passen op optische ontvangers.Dit komt omdat de vermenigvuldigingsfactor die de maximale responsiviteit beïnvloedt, wordt beperkt door de donkerstroom en niet door de vermenigvuldigingsruis.In deze structuur wordt de donkerstroom voornamelijk veroorzaakt door het tunneleffect van de InGaAs-putlaag met een smalle bandafstand, dus de introductie van een quaternaire legering met brede bandafstand, zoals InGaAsP of InAlGaAs, in plaats van InGaAs als de putlaag van de kwantumputstructuur kan de donkerstroom onderdrukken.
Posttijd: 13-nov-2023