Tiivistelmä: Lumivyöryvalodetektorin perusrakenne ja toimintaperiaate (APD-valodetektori) esitellään, analysoidaan laiterakenteen evoluutioprosessia, tehdään yhteenveto nykyisestä tutkimustilanteesta ja tutkitaan APD:n tulevaa kehitystä prospektiivisesti.
1. Esittely
Valodetektori on laite, joka muuntaa valosignaalit sähköisiksi signaaleiksi.Jonkin sisälläpuolijohdevalodetektori, valon tuottama kantoaalto, joka virittyy tulevalla fotonilla, tulee ulkoiseen piiriin käytetyn esijännitteen alaisena ja muodostaa mitattavissa olevan valovirran.Maksimivasteellakin PIN-valodiodi voi tuottaa korkeintaan vain parin elektronireikäparia, mikä on laite ilman sisäistä vahvistusta.Parempaan vasteeseen voidaan käyttää lumivyöryvalodiodia (APD).APD:n vahvistusvaikutus valovirtaan perustuu ionisaatiotörmäysvaikutukseen.Tietyissä olosuhteissa kiihdytetyt elektronit ja reiät voivat saada tarpeeksi energiaa törmätäkseen hilan kanssa tuottaen uuden elektroni-reikäparin.Tämä prosessi on ketjureaktio, joten valon absorption synnyttämä elektroni-reikäpari voi tuottaa suuren määrän elektroni-reikäpareja ja muodostaa suuren toissijaisen valovirran.Siksi APD:llä on korkea vaste ja sisäinen vahvistus, mikä parantaa laitteen signaali-kohinasuhdetta.APD:tä käytetään pääasiassa pitkän matkan tai pienemmissä valokuituviestintäjärjestelmissä, joissa on muita rajoituksia vastaanotetulle optiselle teholle.Tällä hetkellä monet optisten laitteiden asiantuntijat ovat erittäin optimistisia APD:n näkymien suhteen ja uskovat, että APD:n tutkimus on välttämätöntä lähialojen kansainvälisen kilpailukyvyn parantamiseksi.
2. Tekninen kehityslumivyöryvaloilmaisin(APD-valoilmaisin)
2.1 Materiaalit
(1)Si valoilmaisin
Si-materiaaliteknologia on kypsä tekniikka, jota käytetään laajalti mikroelektroniikan alalla, mutta se ei sovellu optisen viestinnän alalla yleisesti hyväksyttyjen laitteiden valmistukseen aallonpituusalueella 1,31 mm ja 1,55 mm.
(2) Ge
Vaikka Ge APD:n spektrivaste soveltuu optisen kuidun lähetyksen pienen häviön ja pienen dispersion vaatimuksiin, valmistusprosessissa on suuria vaikeuksia.Lisäksi Ge:n elektronien ja aukkojen ionisaationopeussuhde on lähellä () 1:tä, joten korkean suorituskyvyn APD-laitteita on vaikea valmistaa.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
Se on tehokas tapa valita In0.53Ga0.47As APD:n valon absorptiokerrokseksi ja InP kertojakerrokseksi.In0,53Ga0,47As-materiaalin absorptiohuippu on 1,65 mm, 1,31 mm, 1,55 mm aallonpituus on noin 104 cm-1 korkea absorptiokerroin, joka on tällä hetkellä edullinen materiaali valonilmaisimen absorptiokerrokseen.
(4)InGaAs-valodetektori/Sisäänvaloilmaisin
Valitsemalla InGaAsP valoa absorboivaksi kerrokseksi ja InP kerrannaiskerrokseksi voidaan valmistaa APD, jonka vasteaallonpituus on 1-1,4 mm, korkea kvanttitehokkuus, alhainen pimeävirta ja suuri lumivyöryvahvistus.Valitsemalla erilaisia seoskomponentteja saavutetaan paras suorituskyky tietyillä aallonpituuksilla.
(5)InGaAs/InAlAs
In0,52Al0,48As materiaalissa on kaistaväli (1,47 eV) eikä se absorboi 1,55 mm:n aallonpituusalueella.On näyttöä siitä, että ohut In0,52Al0,48As epitaksiaalinen kerros voi saada paremmat vahvistusominaisuudet kuin InP kerrannaiskerroksena puhtaan elektronin ruiskutuksen olosuhteissa.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs ja InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Materiaalien iskuionisaationopeus on tärkeä tekijä, joka vaikuttaa APD:n suorituskykyyn.Tulokset osoittavat, että kertojakerroksen törmäysionisaationopeutta voidaan parantaa ottamalla käyttöön InGaAs (P) /InAlAs ja In (Al) GaAs/InAlAs superhilarakenteita.Superhilarakennetta käyttämällä kaistasuunnittelu voi keinotekoisesti ohjata epäsymmetrisen kaistan reunan epäjatkuvuutta johtavuuskaistan ja valenssikaistan arvojen välillä ja varmistaa, että johtavuuskaistan epäjatkuvuus on paljon suurempi kuin valenssikaistan epäjatkuvuus (ΔEc>>ΔEv).Verrattuna InGaAs-bulkkimateriaaleihin, InGaAs/InAlAs-kvanttikuopan elektronien ionisaationopeus (a) kasvaa merkittävästi, ja elektronit ja reiät saavat lisäenergiaa.ΔEc>>ΔEv:stä johtuen voidaan odottaa, että elektronien saama energia lisää elektronien ionisaationopeutta paljon enemmän kuin reikäenergian osuus aukon ionisaationopeuteen (b).Elektronin ionisaationopeuden suhde (k) aukon ionisaationopeuteen kasvaa.Siksi suuri vahvistuskaistanleveystulo (GBW) ja alhainen kohinan suorituskyky voidaan saavuttaa soveltamalla superhilarakenteita.Tätä InGaAs/InAlAs-kvanttikuopparakennetta APD, joka voi nostaa k-arvoa, on kuitenkin vaikea soveltaa optisiin vastaanottimiin.Tämä johtuu siitä, että kerrointekijää, joka vaikuttaa maksimaaliseen vasteeseen, rajoittaa pimeävirta, ei kerroinkohina.Tässä rakenteessa tumma virta johtuu pääasiassa InGaAs-kaivokerroksen tunnelointivaikutuksesta, jossa on kapea kaistaväli, joten laajakaistaisen kvaternäärisen metalliseoksen, kuten InGaAsP tai InAlGaAs, käyttöönotto InGaAs:n sijaan kaivokerroksena. Kvanttikuopparakenteen rakenne voi tukahduttaa pimeän virran.
Postitusaika: 13.11.2023