Περίληψη: Η βασική δομή και αρχή λειτουργίας του φωτοανιχνευτή χιονοστιβάδων (Φωτοανιχνευτής APD) εισάγονται, αναλύεται η διαδικασία εξέλιξης της δομής της συσκευής, συνοψίζεται η τρέχουσα κατάσταση της έρευνας και μελετάται προοπτικά η μελλοντική ανάπτυξη της APD.
1. Εισαγωγή
Ο φωτοανιχνευτής είναι μια συσκευή που μετατρέπει τα φωτεινά σήματα σε ηλεκτρικά σήματα. Σε έναφωτοανιχνευτής ημιαγωγών, ο φωτοπαραγόμενος φορέας που διεγείρεται από το προσπίπτον φωτόνιο εισέρχεται στο εξωτερικό κύκλωμα υπό την εφαρμοζόμενη τάση πόλωσης και σχηματίζει ένα μετρήσιμο φωτορεύμα. Ακόμη και στη μέγιστη απόκριση, μια φωτοδίοδος PIN μπορεί να παράγει μόνο ένα ζεύγος ζευγών ηλεκτρονίων-οπών το πολύ, κάτι που είναι μια συσκευή χωρίς εσωτερικό κέρδος. Για μεγαλύτερη απόκριση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια φωτοδίοδος χιονοστιβάδας (APD). Το φαινόμενο ενίσχυσης της APD στο φωτορεύμα βασίζεται στο φαινόμενο σύγκρουσης ιονισμού. Κάτω από ορισμένες συνθήκες, τα επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια και οι οπές μπορούν να αποκτήσουν αρκετή ενέργεια για να συγκρουστούν με το πλέγμα για να δημιουργήσουν ένα νέο ζεύγος ζευγών ηλεκτρονίων-οπών. Αυτή η διαδικασία είναι μια αλυσιδωτή αντίδραση, έτσι ώστε το ζεύγος των ζευγών ηλεκτρονίων-οπών που δημιουργούνται από την απορρόφηση φωτός να μπορεί να παράγει μεγάλο αριθμό ζευγών ηλεκτρονίων-οπών και να σχηματίσει ένα μεγάλο δευτερεύον φωτορεύμα. Επομένως, το APD έχει υψηλή απόκριση και εσωτερικό κέρδος, που βελτιώνει την αναλογία σήματος προς θόρυβο της συσκευής. Το APD θα χρησιμοποιηθεί κυρίως σε συστήματα επικοινωνίας οπτικών ινών μεγάλων αποστάσεων ή μικρότερης απόστασης με άλλους περιορισμούς στη λαμβανόμενη οπτική ισχύ. Επί του παρόντος, πολλοί ειδικοί σε οπτικές συσκευές είναι πολύ αισιόδοξοι για τις προοπτικές της APD και πιστεύουν ότι η έρευνα της APD είναι απαραίτητη για την ενίσχυση της διεθνούς ανταγωνιστικότητας των σχετικών τομέων.
2. Τεχνική ανάπτυξη τουφωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας(Φωτοανιχνευτής APD)
2.1 Υλικά
(1)Si φωτοανιχνευτής
Η τεχνολογία υλικών Si είναι μια ώριμη τεχνολογία που χρησιμοποιείται ευρέως στον τομέα της μικροηλεκτρονικής, αλλά δεν είναι κατάλληλη για την προετοιμασία συσκευών στο εύρος μήκους κύματος 1,31 mm και 1,55 mm που είναι γενικά αποδεκτές στον τομέα της οπτικής επικοινωνίας.
(2)Γε
Αν και η φασματική απόκριση του Ge APD είναι κατάλληλη για τις απαιτήσεις χαμηλής απώλειας και χαμηλής διασποράς στη μετάδοση οπτικών ινών, υπάρχουν μεγάλες δυσκολίες στη διαδικασία προετοιμασίας. Επιπλέον, ο λόγος ρυθμού ιονισμού ηλεκτρονίων και οπών του Ge είναι κοντά στο () 1, επομένως είναι δύσκολο να προετοιμαστούν συσκευές APD υψηλής απόδοσης.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
Είναι μια αποτελεσματική μέθοδος για να επιλέξετε το In0.53Ga0.47As ως στρώμα απορρόφησης φωτός του APD και το InP ως στρώμα πολλαπλασιασμού. Η κορυφή απορρόφησης του υλικού In0.53Ga0.47As είναι 1,65 mm, 1,31 mm, το μήκος κύματος 1,55 mm είναι περίπου 104 cm-1 υψηλός συντελεστής απορρόφησης, που είναι το προτιμώμενο υλικό για το στρώμα απορρόφησης του ανιχνευτή φωτός προς το παρόν.
(4)Φωτοανιχνευτής InGaAs/Σεφωτοανιχνευτής
Επιλέγοντας το InGaAsP ως στρώμα απορρόφησης φωτός και το InP ως στρώμα πολλαπλασιασμού, μπορεί να παρασκευαστεί APD με μήκος κύματος απόκρισης 1-1,4 mm, υψηλή κβαντική απόδοση, χαμηλό σκοτεινό ρεύμα και υψηλό κέρδος χιονοστιβάδας. Επιλέγοντας διαφορετικά εξαρτήματα από κράμα, επιτυγχάνεται η καλύτερη απόδοση για συγκεκριμένα μήκη κύματος.
(5)InGaAs/InAlAs
Το υλικό In0.52Al0.48As έχει διάκενο ζώνης (1,47eV) και δεν απορροφάται στο εύρος μήκους κύματος 1,55mm. Υπάρχουν ενδείξεις ότι το λεπτό επιταξιακό στρώμα In0.52Al0.48As μπορεί να αποκτήσει καλύτερα χαρακτηριστικά απολαβής από το InP ως στρώμα πολλαπλασιαστή υπό την προϋπόθεση της έγχυσης καθαρού ηλεκτρονίου.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs και InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Ο ρυθμός ιονισμού πρόσκρουσης των υλικών είναι ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την απόδοση της APD. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο ρυθμός ιοντισμού σύγκρουσης του πολλαπλασιαστικού στρώματος μπορεί να βελτιωθεί με την εισαγωγή δομών υπερπλέγματος InGaAs (P) /InAlAs και In (Al) GaAs/InAlAs. Χρησιμοποιώντας τη δομή υπερπλέγματος, η μηχανική ζώνης μπορεί να ελέγξει τεχνητά την ασυνέχεια ακμής της ασύμμετρης ζώνης μεταξύ της ζώνης αγωγιμότητας και των τιμών της ζώνης σθένους και να διασφαλίσει ότι η ασυνέχεια της ζώνης αγωγιμότητας είναι πολύ μεγαλύτερη από την ασυνέχεια της ζώνης σθένους (ΔEc>>ΔEv). Σε σύγκριση με τα χύδην υλικά InGaAs, ο ρυθμός ιονισμού ηλεκτρονίων κβαντικού φρεατίου InGaAs/InAlAs (α) αυξάνεται σημαντικά και τα ηλεκτρόνια και οι οπές αποκτούν επιπλέον ενέργεια. Λόγω του ΔEc>>ΔEv, μπορεί να αναμένεται ότι η ενέργεια που λαμβάνεται από τα ηλεκτρόνια αυξάνει τον ρυθμό ιονισμού ηλεκτρονίων πολύ περισσότερο από τη συμβολή της ενέργειας της οπής στον ρυθμό ιονισμού της οπής (b). Ο λόγος (k) του ρυθμού ιονισμού ηλεκτρονίων προς τον ρυθμό ιονισμού οπής αυξάνεται. Επομένως, το προϊόν υψηλού κέρδους εύρους ζώνης (GBW) και η απόδοση χαμηλού θορύβου μπορούν να ληφθούν με την εφαρμογή δομών υπερδικτύων. Ωστόσο, αυτή η δομή κβαντικού φρεατίου InGaAs/InAlAs APD, η οποία μπορεί να αυξήσει την τιμή k, είναι δύσκολο να εφαρμοστεί σε οπτικούς δέκτες. Αυτό συμβαίνει επειδή ο πολλαπλασιαστής που επηρεάζει τη μέγιστη απόκριση περιορίζεται από το σκοτεινό ρεύμα και όχι από το θόρυβο του πολλαπλασιαστή. Σε αυτή τη δομή, το σκοτεινό ρεύμα προκαλείται κυρίως από την επίδραση σήραγγας του στρώματος φρεατίου InGaAs με ένα στενό διάκενο ζώνης, επομένως η εισαγωγή ενός τεταρτοταγούς κράματος διάκενου ευρείας ζώνης, όπως InGaAsP ή InAlGaAs, αντί για InGaAs ως στρώμα πηγαδιού της δομής του κβαντικού φρεατίου μπορεί να καταστείλει το σκοτεινό ρεύμα.
Ώρα δημοσίευσης: Νοε-13-2023