Resum: L'estructura bàsica i el principi de funcionament del fotodetector d'allaus (fotodetector APD), s'analitza el procés d'evolució de l'estructura del dispositiu, es resumeix l'estat actual de la recerca i s'estudia de manera prospectiva el desenvolupament futur de l'APD.
1. Introducció
Un fotodetector és un dispositiu que converteix els senyals lluminosos en senyals elèctrics. En unfotodetector de semiconductors, la portadora fotogenerada excitada pel fotó incident entra al circuit extern sota la tensió de polarització aplicada i forma un fotocorrent mesurable. Fins i tot amb la màxima resposta, un fotodíode PIN només pot produir un parell de parells electró-forat com a màxim, cosa que és un dispositiu sense guany intern. Per a una major resposta, es pot utilitzar un fotodíode d'allau (APD). L'efecte d'amplificació de l'APD sobre el fotocorrent es basa en l'efecte de col·lisió d'ionització. En determinades condicions, els electrons i els forats accelerats poden obtenir prou energia per xocar amb la xarxa per produir un nou parell de parells electró-forat. Aquest procés és una reacció en cadena, de manera que el parell de parells electró-forat generats per l'absorció de llum pot produir un gran nombre de parells electró-forat i formar un gran fotocorrent secundari. Per tant, l'APD té una alta resposta i guany intern, cosa que millora la relació senyal-soroll del dispositiu. L'APD s'utilitzarà principalment en sistemes de comunicació de fibra òptica de llarga distància o més petits amb altres limitacions en la potència òptica rebuda. Actualment, molts experts en dispositius òptics són molt optimistes sobre les perspectives de l'APD i creuen que la recerca de l'APD és necessària per millorar la competitivitat internacional dels camps relacionats.
2. Desenvolupament tècnic defotodetector d'allaus(Fotodetector APD)
2.1 Materials
(1)fotodetector de silici
La tecnologia de materials de silici és una tecnologia madura que s'utilitza àmpliament en el camp de la microelectrònica, però no és adequada per a la preparació de dispositius en el rang de longitud d'ona d'1,31 mm i 1,55 mm que són generalment acceptats en el camp de la comunicació òptica.
(2) Ge
Tot i que la resposta espectral del Ge APD és adequada per als requisits de baixa pèrdua i baixa dispersió en la transmissió de fibra òptica, hi ha grans dificultats en el procés de preparació. A més, la relació de taxa d'ionització d'electrons i forats del Ge és propera a () 1, per la qual cosa és difícil preparar dispositius APD d'alt rendiment.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
És un mètode eficaç seleccionar In0.53Ga0.47As com a capa d'absorció de llum de l'APD i InP com a capa multiplicadora. El pic d'absorció del material In0.53Ga0.47As és d'1,65 mm, 1,31 mm, 1,55 mm i la longitud d'ona és d'uns 104 cm-1 amb un coeficient d'absorció elevat, que és el material preferit per a la capa d'absorció del detector de llum actualment.
(4)Fotodetector d'InGaAs/Entradafotodetector
Seleccionant InGaAsP com a capa absorbent de llum i InP com a capa multiplicadora, es pot preparar un APD amb una longitud d'ona de resposta d'1-1,4 mm, una alta eficiència quàntica, un corrent de foscor baix i un guany d'allau elevat. Seleccionant diferents components d'aliatge, s'aconsegueix el millor rendiment per a longituds d'ona específiques.
(5)InGaAs/InAlAs
El material In0.52Al0.48As té una banda prohibida (1.47 eV) i no absorbeix en el rang de longitud d'ona d'1.55 mm. Hi ha proves que una capa epitaxial fina d'In0.52Al0.48As pot obtenir millors característiques de guany que l'InP com a capa multiplicadora sota la condició d'injecció d'electrons purs.
(6) InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs i InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
La taxa d'ionització per impacte dels materials és un factor important que afecta el rendiment de l'APD. Els resultats mostren que la taxa d'ionització per col·lisió de la capa multiplicadora es pot millorar introduint estructures de superxarxa InGaAs (P) /InAlAs i In (Al) GaAs/InAlAs. Mitjançant l'ús de l'estructura de superxarxa, l'enginyeria de bandes pot controlar artificialment la discontinuïtat asimètrica de la vora de la banda entre els valors de la banda de conducció i la banda de valència, i garantir que la discontinuïtat de la banda de conducció sigui molt més gran que la discontinuïtat de la banda de valència (ΔEc>>ΔEv). En comparació amb els materials a granel InGaAs, la taxa d'ionització d'electrons del pou quàntic InGaAs/InAlAs (a) augmenta significativament, i els electrons i els forats guanyen energia addicional. A causa de ΔEc>>ΔEv, es pot esperar que l'energia guanyada pels electrons augmenti la taxa d'ionització d'electrons molt més que la contribució de l'energia dels forats a la taxa d'ionització dels forats (b). La relació (k) entre la taxa d'ionització d'electrons i la taxa d'ionització dels forats augmenta. Per tant, es pot obtenir un producte d'ample de banda de guany (GBW) elevat i un rendiment de baix soroll aplicant estructures de superxarxa. Tanmateix, aquest APD d'estructura de pou quàntic d'InGaAs/InAlAs, que pot augmentar el valor k, és difícil d'aplicar als receptors òptics. Això es deu al fet que el factor multiplicador que afecta la màxima resposta està limitat pel corrent fosc, no pel soroll multiplicador. En aquesta estructura, el corrent fosc és causat principalment per l'efecte túnel de la capa de pou d'InGaAs amb un interval de banda estret, de manera que la introducció d'un aliatge quaternari d'ample interval de banda, com ara InGaAsP o InAlGaAs, en lloc d'InGaAs com a capa de pou de l'estructura de pou quàntic pot suprimir el corrent fosc.
Data de publicació: 13 de novembre de 2023