Περίληψη: Η βασική δομή και η αρχή λειτουργίας του φωτοανιχνευτή χιονοστιβάδας (Φωτοανιχνευτής APD) εισάγονται, αναλύεται η διαδικασία εξέλιξης της δομής της συσκευής, συνοψίζεται η τρέχουσα ερευνητική κατάσταση και η μελλοντική ανάπτυξη του APD μελετάται μελλοντικά.
1. Εισαγωγή
Ένας φωτοανιχνευτής είναι μια συσκευή που μετατρέπει τα σήματα φωτός σε ηλεκτρικά σήματα. Σε έναφωτοανιχνευτής ημιαγωγών, ο φορέας που παράγεται με φωτοβολταϊκά που διεγείρεται από το περιστατικό του προσπίπτοντος εισέρχεται στο εξωτερικό κύκλωμα κάτω από την εφαρμοζόμενη τάση προκατάληψης και σχηματίζει ένα μετρήσιμο φωτοβολταϊκό. Ακόμη και στη μέγιστη ανταπόκριση, μια φωτοδίοδο PIN μπορεί να παράγει μόνο ένα ζευγάρι ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών το πολύ, που είναι μια συσκευή χωρίς εσωτερικό κέρδος. Για μεγαλύτερη ανταπόκριση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια φωτοδίοδο χιονοστιβάδας (APD). Η επίδραση ενίσχυσης του APD στο φωτοβολίδα βασίζεται στο αποτέλεσμα σύγκρουσης ιονισμού. Υπό ορισμένες συνθήκες, τα επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια και οπές μπορούν να αποκτήσουν αρκετή ενέργεια για να συγκρουστούν με το πλέγμα για να παράγουν ένα νέο ζευγάρι ζεύγη ηλεκτρονίων. Αυτή η διαδικασία είναι μια αλυσιδωτή αντίδραση, έτσι ώστε το ζεύγος ζεύγους ηλεκτρονίων-οπών που παράγονται από την απορρόφηση φωτός να μπορεί να παράγει μεγάλο αριθμό ζευγών ηλεκτρονίων-οπών και να σχηματίσει ένα μεγάλο δευτερεύον φωτοβολίδημα. Ως εκ τούτου, το APD έχει υψηλή ανταπόκριση και εσωτερικό κέρδος, το οποίο βελτιώνει την αναλογία σήματος προς θόρυβο της συσκευής. Το APD θα χρησιμοποιηθεί κυρίως σε συστήματα επικοινωνίας οπτικών οπτικών οπτικών οπτικών ινών με άλλους περιορισμούς στην ληφθείσα οπτική ισχύ. Προς το παρόν, πολλοί εμπειρογνώμονες οπτικών συσκευών είναι πολύ αισιόδοξοι σχετικά με τις προοπτικές της APD και πιστεύουν ότι η έρευνα του APD είναι απαραίτητη για την ενίσχυση της διεθνούς ανταγωνιστικότητας των σχετικών τομέων.
2. Τεχνική ανάπτυξη τουφωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας(APD PhotoDetector)
2.1 Υλικά
(1)Φωτοανιχνευτής
Η τεχνολογία SI υλικών είναι μια ώριμη τεχνολογία που χρησιμοποιείται ευρέως στον τομέα της μικροηλεκτρονικής, αλλά δεν είναι κατάλληλη για την παρασκευή συσκευών στην περιοχή μήκους κύματος 1,31mm και 1,55 mm που γενικά είναι αποδεκτές στον τομέα της οπτικής επικοινωνίας.
(2) GE
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 παρασκευής. Επιπλέον, η αναλογία ρυθμού ιονισμού ηλεκτρονίων και οπών της GE είναι κοντά στο () 1, οπότε είναι δύσκολο να προετοιμαστούν συσκευές APD υψηλής απόδοσης.
(3) in0.53ga0.47as/inp
Είναι μια αποτελεσματική μέθοδος για την επιλογή in0.53GA0.47AS ως στρώμα απορρόφησης φωτός του APD και INP ως στρώμα πολλαπλασιαστή. Η κορυφή απορρόφησης του υλικού IN0.53GA0.47AS είναι 1,65mm, 1,31mm, 1,55mm μήκος κύματος είναι περίπου 104cm-1 υψηλό συντελεστή απορρόφησης, το οποίο είναι το προτιμώμενο υλικό για το στρώμα απορρόφησης του ανιχνευτή φωτός επί του παρόντος.
(4)Φωτοανιχνευτής INGAAS/Σεφωτοανιχνευτής
Επιλέγοντας το IngaAsp ως στρώμα απορρόφησης φωτός και INP ως στρώμα πολλαπλασιαστή, APD με μήκος κύματος απόκρισης 1-1,4mm, υψηλής κβαντικής απόδοσης, χαμηλό σκούρο 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 κενό ζώνης (1.47EV) και δεν απορροφά την περιοχή μήκους κύματος 1.55mm. Υπάρχουν ενδείξεις ότι το λεπτό in0.52al0.48AS επιταξιακό στρώμα μπορεί να αποκτήσει καλύτερα χαρακτηριστικά κέρδους από ό, τι το INP ως στρώμα πολλαπλασιαστή υπό την κατάσταση της καθαρής έγχυσης ηλεκτρονίων.
(6) Ingaas/Ingaas (P)/Inalas και Ingaas/In (AL) Gaas/Inalas
Ο ρυθμός ιονισμού των υλικών είναι ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την απόδοση του APD. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο ρυθμός ιονισμού σύγκρουσης του πολλαπλασιαστικού στρώματος μπορεί να βελτιωθεί με την εισαγωγή των δομών Ingaas (P) /Inalas και σε (AL) GaAs /Inalas Superlattice. Χρησιμοποιώντας τη δομή superlattice, η μηχανική ζώνης μπορεί να ελέγχει τεχνητά την ασύμμετρη ακμή ακμή μεταξύ της ζώνης αγωγιμότητας και των τιμών της ζώνης σθένους και να διασφαλίσει ότι η ασυνέχεια της ζώνης αγωγιμότητας είναι πολύ μεγαλύτερη από τη ασυνέχεια της ζώνης σθένους (ΔEC >> ΔEV). Σε σύγκριση με τα υλικά χύδην IngaAs, ο ρυθμός ιονισμού ηλεκτρονίων IngaAS/Inalas κβαντικού φρεατίου (Α) 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 των οπών στον ρυθμό ιονισμού των οπών (Β). Η αναλογία (k) του ρυθμού ιονισμού ηλεκτρονίων προς τον ρυθμό ιονισμού οπών αυξάνεται. Ως εκ τούτου, το προϊόν υψηλού ζώνη κέρδους (GBW) και η χαμηλή απόδοση θορύβου μπορούν να ληφθούν με την εφαρμογή δομών superlattice. Ωστόσο, αυτό το APD δομής κβαντικού φρεατίου IngaAS/Inalas, η οποία μπορεί να αυξήσει την τιμή k, είναι δύσκολο να εφαρμοστεί στους οπτικούς δέκτες. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο συντελεστής πολλαπλασιαστή που επηρεάζει τη μέγιστη ανταπόκριση περιορίζεται από το σκοτεινό ρεύμα, όχι από τον θόρυβο πολλαπλασιαστή. Σε αυτή τη δομή, το σκοτεινό ρεύμα προκαλείται κυρίως από το φαινόμενο της σήραγγας του στρώματος Ingaas Well με ένα στενό κενό της ζώνης, οπότε η εισαγωγή ενός τεταρτοταγμένου κράματος κενού ευρείας ζώνης, όπως το Ingaasp ή το Inalgaas, αντί του Ingaas ως το στρώμα του φρεατίου της κβαντικής δομής μπορεί να καταστέλλει το σκοτεινό ρεύμα.
Χρόνος δημοσίευσης: Νοέμβριος-13-2023