Özet: Çığ fotodedektörünün temel yapısı ve çalışma prensibi (APD fotodedektörü) tanıtılmakta, cihaz yapısının evrim süreci analiz edilmekte, mevcut araştırma durumu özetlenmekte ve APD'nin gelecekteki gelişimi prospektif olarak incelenmektedir.
1. Giriş
Fotodedektör, ışık sinyallerini elektrik sinyallerine dönüştüren bir cihazdır.yarı iletken fotodedektör, olay fotonunun uyardığı foto-üretilmiş taşıyıcı, uygulanan önyargı voltajı altında harici devreye girer ve ölçülebilir bir foto akım oluşturur. Maksimum duyarlılıkta bile, bir PIN fotodiyot en fazla bir çift elektron-delik çifti üretebilir, bu da dahili kazancı olmayan bir cihazdır. Daha fazla duyarlılık için bir çığ fotodiyot (APD) kullanılabilir. APD'nin foto akım üzerindeki amplifikasyon etkisi iyonizasyon çarpışma etkisine dayanır. Belirli koşullar altında, hızlandırılmış elektronlar ve delikler kafesle çarpışarak yeni bir çift elektron-delik çifti üretmek için yeterli enerji elde edebilir. Bu süreç bir zincirleme reaksiyondur, böylece ışık emilimiyle üretilen elektron-delik çifti çok sayıda elektron-delik çifti üretebilir ve büyük bir ikincil foto akım oluşturabilir. Bu nedenle, APD yüksek duyarlılığa ve dahili kazanca sahiptir, bu da cihazın sinyal-gürültü oranını iyileştirir. APD, esas olarak alınan optik güçte diğer sınırlamalarla uzun mesafeli veya daha küçük optik fiber iletişim sistemlerinde kullanılacaktır. Günümüzde pek çok optik cihaz uzmanı APD'nin geleceği konusunda oldukça iyimserdir ve APD araştırmalarının ilgili alanların uluslararası rekabet gücünü artırmak için gerekli olduğuna inanmaktadır.
2. Teknik geliştirmeçığ fotodetektörü(APD fotodedektörü)
2.1 Malzemeler
(1)Si fotodedektörü
Si malzeme teknolojisi mikroelektronik alanında yaygın olarak kullanılan olgun bir teknolojidir, ancak optik haberleşme alanında genel kabul gören 1,31 mm ve 1,55 mm dalga boyu aralığındaki cihazların hazırlanması için uygun değildir.
(2)İki
Ge APD'nin spektral tepkisi optik fiber iletiminde düşük kayıp ve düşük dağılım gereksinimlerine uygun olsa da, hazırlama sürecinde büyük zorluklar vardır. Ayrıca, Ge'nin elektron ve delik iyonlaşma oranı oranı () 1'e yakın olduğundan, yüksek performanslı APD cihazları hazırlamak zordur.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
APD'nin ışık emilim katmanı olarak In0.53Ga0.47As'yi ve çarpan katman olarak InP'yi seçmek etkili bir yöntemdir. In0.53Ga0.47As malzemesinin emilim tepe noktası 1.65mm, 1.31mm, 1.55mm dalga boyu yaklaşık 104cm-1 yüksek emilim katsayısıdır, bu şu anda ışık dedektörünün emilim katmanı için tercih edilen malzemedir.
(4)InGaAs fotodedektörü/İçindefotodedektör
Işık emici katman olarak InGaAsP ve çarpan katman olarak InP seçilerek, 1-1.4mm tepki dalga boyu, yüksek kuantum verimliliği, düşük karanlık akımı ve yüksek çığ kazancı olan APD hazırlanabilir. Farklı alaşım bileşenleri seçilerek, belirli dalga boyları için en iyi performans elde edilir.
(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As malzemesi bir bant aralığına (1.47eV) sahiptir ve 1.55mm dalga boyu aralığında emilim yapmaz. Saf elektron enjeksiyonu koşulunda, ince In0.52Al0.48As epitaksiyel tabakasının, bir çarpan tabaka olarak InP'den daha iyi kazanç karakteristikleri elde edebileceğine dair kanıtlar vardır.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs ve InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Malzemelerin darbe iyonlaşma hızı, APD'nin performansını etkileyen önemli bir faktördür. Sonuçlar, çarpan tabakasının çarpışma iyonlaşma hızının InGaAs (P) / InAlAs ve In (Al) GaAs / InAlAs süper kafes yapılarının tanıtılmasıyla iyileştirilebileceğini göstermektedir. Süper kafes yapısını kullanarak, bant mühendisliği iletim bandı ile değerlik bandı değerleri arasındaki asimetrik bant kenarı süreksizliğini yapay olarak kontrol edebilir ve iletim bandı süreksizliğinin değerlik bandı süreksizliğinden çok daha büyük olmasını sağlayabilir (ΔEc >> ΔEv). InGaAs dökme malzemelerle karşılaştırıldığında, InGaAs / InAlAs kuantum kuyusu elektron iyonlaşma hızı (a) önemli ölçüde artmıştır ve elektronlar ve delikler ekstra enerji kazanmıştır. ΔEc >> ΔEv nedeniyle, elektronlar tarafından kazanılan enerjinin, delik enerjisinin delik iyonlaşma hızına katkısından (b) çok daha fazla elektron iyonlaşma hızını artırması beklenebilir. Elektron iyonlaşma oranının delik iyonlaşma oranına oranı (k) artar. Bu nedenle, süper kafes yapıları uygulanarak yüksek kazanç-bant genişliği ürünü (GBW) ve düşük gürültü performansı elde edilebilir. Ancak, k değerini artırabilen bu InGaAs/InAlAs kuantum kuyusu yapısı APD'nin optik alıcılara uygulanması zordur. Bunun nedeni, maksimum tepkiselliği etkileyen çarpan faktörünün çarpan gürültüsüyle değil, karanlık akımla sınırlı olmasıdır. Bu yapıda, karanlık akım esas olarak dar bant aralığına sahip InGaAs kuyusu katmanının tünelleme etkisinden kaynaklanır, bu nedenle kuantum kuyusu yapısının kuyu katmanı olarak InGaAs yerine InGaAsP veya InAlGaAs gibi geniş bant aralığına sahip bir kuaterner alaşımın tanıtılması karanlık akımı bastırabilir.
Yayınlanma zamanı: 13-Kas-2023