Tiivistelmä: Lumivyöryvalodetektorin perusrakenne ja toimintaperiaate (APD-valoilmaisin) esitellään, analysoidaan laiterakenteen kehitysprosessia, esitetään yhteenveto nykyisestä tutkimuksen tilasta ja tutkitaan APD:n tulevaa kehitystä prospektiivisesti.
1. Johdanto
Valoilmaisin on laite, joka muuntaa valosignaalit sähköisiksi signaaleiksi.puolijohdevalodetektori, tulevan fotonin virittämään valon tuottama kantaja siirtyy ulkoiseen piiriin käytetyn esijännitteen alaisena ja muodostaa mitattavan valovirran. Jopa suurimmalla vasteajalla PIN-fotodiodi voi tuottaa korkeintaan vain elektroni-aukko-parin, mikä on laite ilman sisäistä vahvistusta. Suuremman vasteajan saavuttamiseksi voidaan käyttää lumivyöryfotodiodia (APD). APD:n vahvistusvaikutus valovirtaan perustuu ionisaatiotörmäysilmiöön. Tietyissä olosuhteissa kiihdytetyt elektronit ja aukot voivat saada riittävästi energiaa törmätäkseen hilaan ja tuottaakseen uuden elektroni-aukko-parin. Tämä prosessi on ketjureaktio, joten valon absorptiolla syntyvä elektroni-aukko-pari voi tuottaa suuren määrän elektroni-aukko-pareja ja muodostaa suuren toissijaisen valovirran. Siksi APD:llä on korkea vasteaika ja sisäinen vahvistus, mikä parantaa laitteen signaali-kohinasuhdetta. APD:tä käytetään pääasiassa pitkän matkan tai pienemmissä optisissa kuitutietoliikennejärjestelmissä, joissa on muita rajoituksia vastaanotettavalle optiselle teholle. Tällä hetkellä monet optisten laitteiden asiantuntijat ovat erittäin optimistisia APD:n näkymistä ja uskovat, että APD:n tutkimus on välttämätöntä siihen liittyvien alojen kansainvälisen kilpailukyvyn parantamiseksi.
2. Tekninen kehityslumivyöryvaloilmaisin(APD-fotodetektori)
2.1 Materiaalit
(1)Si-fotodetektori
Pii-materiaaliteknologia on kypsä teknologia, jota käytetään laajalti mikroelektroniikan alalla, mutta se ei sovellu 1,31 mm:n ja 1,55 mm:n aallonpituusalueen laitteiden valmistukseen, jotka ovat yleisesti hyväksyttyjä optisen viestinnän alalla.
(2) Ge
Vaikka Ge APD:n spektraalinen vaste soveltuu optisten kuitujen siirron alhaisen häviön ja pienen dispersion vaatimuksiin, valmistusprosessissa on suuria vaikeuksia. Lisäksi Ge:n elektronien ja aukkojen ionisaationopeussuhde on lähellä arvoa () 1, joten korkean suorituskyvyn omaavien APD-laitteiden valmistaminen on vaikeaa.
(3) In0,53Ga0,47As/InP
On tehokas menetelmä valita In0.53Ga0.47As APD:n valonabsorptiokerrokseksi ja InP kerroinkerrokseksi. In0.53Ga0.47As-materiaalin absorptiohuippu on 1,65 mm, 1,31 mm ja 1,55 mm:n aallonpituus noin 104 cm-1. Korkea absorptiokerroin on siksi tällä hetkellä ensisijainen materiaali valonilmaisimen absorptiokerrokselle.
(4)InGaAs-fotodetektori/Sisäänvaloilmaisin
Valitsemalla InGaAsP:n valoa absorboivaksi kerrokseksi ja InP:n kertojakerrokseksi voidaan valmistaa APD:tä, jonka vasteaallonpituus on 1–1,4 mm, jolla on korkea kvanttihyötysuhde, alhainen pimeävirta ja suuri lumivyöryvahvistus. Valitsemalla erilaisia seoskomponentteja saavutetaan paras suorituskyky tietyillä aallonpituuksilla.
(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As-materiaalilla on energiaväli (1,47 eV), eikä se absorboi 1,55 mm:n aallonpituusalueella. On näyttöä siitä, että ohut In0.52Al0.48As-epitaksiaalikerros voi saavuttaa paremmat vahvistusominaisuudet kuin InP monistinkerroksena puhtaassa elektroni-injektiossa.
(6)InGaAs/InGaAs (P)/InAlAs ja InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Materiaalien törmäysionisaationopeus on tärkeä APD:n suorituskykyyn vaikuttava tekijä. Tulokset osoittavat, että kertojakerroksen törmäysionisaationopeutta voidaan parantaa lisäämällä InGaAs(P)/InAlAs- ja In(Al)GaAs/InAlAs-superhilarakenteita. Superhilarakenteen avulla kaistanmuokkauksella voidaan keinotekoisesti kontrolloida johtavuusvyön ja valenssivyön arvojen välistä epäsymmetristä kaistan reunan epäjatkuvuutta ja varmistaa, että johtavuusvyön epäjatkuvuus on paljon suurempi kuin valenssivyön epäjatkuvuus (ΔEc>>ΔEv). Verrattuna InGaAs-bulkkimateriaaleihin, InGaAs/InAlAs-kvanttikuopan elektroni-ionisaationopeus (a) kasvaa merkittävästi, ja elektronit ja aukot saavat lisää energiaa. ΔEc>>ΔEv:n vuoksi voidaan odottaa, että elektronien saama energia lisää elektroni-ionisaationopeutta paljon enemmän kuin aukkojen energian osuus aukkojen ionisaationopeuteen (b). Elektroni-ionisaationopeuden ja aukkojen ionisaationopeuden suhde (k) kasvaa. Siksi superhilarakenteita käyttämällä voidaan saavuttaa korkea vahvistus-kaistanleveystulo (GBW) ja alhainen kohinataso. Tätä InGaAs/InAlAs-kvanttikuopparakenteen APD:tä, joka voi lisätä k-arvoa, on kuitenkin vaikea soveltaa optisiin vastaanottimiin. Tämä johtuu siitä, että maksimivasteeseen vaikuttavaa kerroinkerrointa rajoittaa pimeävirta, ei kertojakohina. Tässä rakenteessa pimeävirta johtuu pääasiassa InGaAs-kuoppakerroksen tunnelointivaikutuksesta, jossa on kapea energiaväli, joten laajan energiavälin omaavan kvaternaarisen seoksen, kuten InGaAsP:n tai InAlGaAs:n, käyttö InGaAs:n sijaan kvanttikuopparakenteen kuoppakerroksena voi vaimentaa pimeävirtaa.
Julkaisun aika: 13.11.2023