Περίληψη: Η βασική δομή και η αρχή λειτουργίας του φωτοανιχνευτή χιονοστιβάδας (Φωτοανιχνευτής APD) παρουσιάζονται, αναλύεται η διαδικασία εξέλιξης της δομής της συσκευής, συνοψίζεται η τρέχουσα ερευνητική κατάσταση και μελετάται προοπτικά η μελλοντική ανάπτυξη της APD.
1. Εισαγωγή
Ένας 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. Ακόμα και στη μέγιστη απόκριση, μια φωτοδίοδος PIN μπορεί να παράγει μόνο ένα ζεύγος ζευγών ηλεκτρονίων-οπών το πολύ, η οποία 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. Υπό ορισμένες συνθήκες, τα επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια και οι οπές μπορούν να αποκτήσουν αρκετή ενέργεια για να συγκρουστούν με το πλέγμα για να παράγουν ένα νέο ζεύγος ζευγών ηλεκτρονίων-οπών. Αυτή η διαδικασία είναι μια αλυσιδωτή αντίδραση, έτσι ώστε το ζεύγος ζευγών ηλεκτρονίων-οπών που παράγεται από την απορρόφηση φωτός μπορεί να παράγει μεγάλο αριθμό ζευγών ηλεκτρονίων-οπών και να σχηματίσει ένα μεγάλο δευτερεύον φωτορεύμα. Επομένως, η APD έχει υψηλή απόκριση και εσωτερικό κέρδος, γεγονός που βελτιώνει την αναλογία σήματος προς θόρυβο της συσκευής. Η APD θα χρησιμοποιηθεί κυρίως σε συστήματα επικοινωνίας οπτικών ινών μεγάλων αποστάσεων ή μικρότερων με άλλους περιορισμούς στην λαμβανόμενη οπτική ισχύ. Προς το παρόν, πολλοί ειδικοί σε οπτικές συσκευές είναι πολύ αισιόδοξοι για τις προοπτικές της APD και πιστεύουν ότι η έρευνα για την APD είναι απαραίτητη για την ενίσχυση της διεθνούς ανταγωνιστικότητας των σχετικών τομέων.
2. Τεχνική ανάπτυξηφωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας(Φωτοανιχνευτής APD)
2.1 Υλικά
(1)Φωτοανιχνευτής Si
Η τεχνολογία υλικών Si είναι μια ώριμη τεχνολογία που χρησιμοποιείται ευρέως στον τομέα της μικροηλεκτρονικής, αλλά δεν είναι κατάλληλη για την κατασκευή συσκευών στην περιοχή μήκους κύματος 1,31 mm και 1,55 mm που είναι γενικά αποδεκτά στον τομέα των οπτικών επικοινωνιών.
(2)Γε
Παρόλο που η φασματική απόκριση του Ge APD είναι κατάλληλη για τις απαιτήσεις χαμηλών απωλειών και χαμηλής διασποράς στη μετάδοση οπτικών ινών, υπάρχουν μεγάλες δυσκολίες στη διαδικασία παρασκευής. Επιπλέον, ο λόγος ρυθμού ιονισμού ηλεκτρονίων και οπών του Ge είναι κοντά στο ()1, επομένως είναι δύσκολο να παρασκευαστούν συσκευές APD υψηλής απόδοσης.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
Είναι μια αποτελεσματική μέθοδος η επιλογή του In0.53Ga0.47As ως στρώμα απορρόφησης φωτός του APD και του InP ως στρώμα πολλαπλασιαστή. Η κορυφή απορρόφησης του υλικού In0.53Ga0.47As είναι 1,65 mm, 1,31 mm, το μήκος κύματος των 1,55 mm έχει υψηλό συντελεστή απορρόφησης περίπου 104 cm-1, το οποίο είναι το προτιμώμενο υλικό για το στρώμα απορρόφησης του ανιχνευτή φωτός προς το παρόν.
(4)Φωτοανιχνευτής InGaAs/Σεφωτοανιχνευτής
Επιλέγοντας InGaAsP ως στρώμα απορρόφησης φωτός και InP ως στρώμα πολλαπλασιαστή, 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 κράματος, επιτυγχάνεται η καλύτερη απόδοση για συγκεκριμένα μήκη κύματος.
(5)InGaAs/InAlAs
Το υλικό In0.52Al0.48As έχει ενεργειακό χάσμα (1.47eV) και δεν απορροφά στην περιοχή μήκους κύματος 1.55 mm. Υπάρχουν ενδείξεις ότι η λεπτή επιταξιακή στρώση In0.52Al0.48As μπορεί να αποκτήσει καλύτερα χαρακτηριστικά κέρδους από το InP ως πολλαπλασιαστικό στρώμα υπό την προϋπόθεση της καθαρής έγχυσης ηλεκτρονίων.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs και InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Ο ρυθμός ιονισμού κρούσης των υλικών είναι ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την απόδοση του APD. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο ρυθμός ιονισμού σύγκρουσης του πολλαπλασιαστή στρώματος μπορεί να βελτιωθεί με την εισαγωγή δομών υπερπλέγματος InGaAs (P) /InAlAs και In (Al) GaAs/InAlAs. Χρησιμοποιώντας τη δομή υπερπλέγματος, η μηχανική ζωνών μπορεί να ελέγξει τεχνητά την ασύμμετρη ασυνέχεια της ακμής της 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 φρέατος InGaAs/InAlAs (a) αυξάνεται σημαντικά και τα ηλεκτρόνια και οι οπές αποκτούν επιπλέον ενέργεια. Λόγω του ΔEc>>ΔEv, μπορεί να αναμένεται ότι η ενέργεια που αποκτάται 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 της οπής αυξάνεται. Επομένως, υψηλό γινόμενο κέρδους-εύρους ζώνης (GBW) και απόδοση χαμηλού θορύβου μπορούν να επιτευχθούν με την εφαρμογή δομών υπερπλέγματος. Ωστόσο, αυτή η κβαντική δομή φρέατος 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 τον πολλαπλασιαστή θορύβου. Σε αυτήν τη δομή, το σκοτεινό ρεύμα προκαλείται κυρίως από το φαινόμενο σήραγγας του στρώματος φρέατος InGaAs με στενό ενεργειακό χάσμα, επομένως η εισαγωγή ενός τεταρτοταγούς κράματος ευρέος ενεργειακού χάσματος, όπως το InGaAsP ή το InAlGaAs, αντί του InGaAs ως στρώμα φρέατος της κβαντικής δομής φρέατος, μπορεί να καταστείλει το σκοτεινό ρεύμα.
Ώρα δημοσίευσης: 13 Νοεμβρίου 2023