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 fotodedektörOlay fotonu tarafından uyarılan foto-üretilmiş taşıyıcı, uygulanan öngerilim gerilimi altında harici devreye girer ve ölçülebilir bir fotoakım oluşturur. Maksimum duyarlılıkta bile, bir PIN fotodiyodu en fazla bir çift elektron-delik çifti üretebilir; bu da dahili kazancı olmayan bir cihazdır. Daha yüksek duyarlılık için bir çığ fotodiyodu (APD) kullanılabilir. APD'nin fotoakım üzerindeki yükseltme etkisi, iyonlaşma çarpışması etkisine dayanır. Belirli koşullar altında, hızlandırılmış elektronlar ve delikler, kafesle çarpışarak yeni bir elektron-delik çifti 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 fotoakım oluşturabilir. Bu nedenle, APD yüksek duyarlılık ve dahili kazanca sahiptir ve bu da cihazın sinyal-gürültü oranını iyileştirir. APD, alınan optik güçte başka sınırlamalar bulunan uzun mesafeli veya daha küçük optik fiber iletişim sistemlerinde esas olarak 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 ile 1,55 mm dalga boyu aralığındaki cihazların hazırlanması için uygun değildir.
(2)Ge
Ge APD'nin spektral tepkisi, optik fiber iletiminde düşük kayıp ve düşük dispersiyon gereksinimlerini karşılamaya uygun olsa da, hazırlama sürecinde büyük zorluklar yaşanmaktadır. Ayrıca, Ge'nin elektron ve delik iyonlaşma 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 katmanı olarak InP'yi seçmek etkili bir yöntemdir. In0.53Ga0.47As malzemesinin emilim tepe noktası 1,65 mm, dalga boyu 1,31 mm ve dalga boyu yaklaşık 104 cm-1'dir. Bu yüksek emilim katsayısı, 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, 1-1,4 mm tepki dalga boyu, yüksek kuantum verimliliği, düşük karanlık akım ve yüksek çığ kazancı sağlayan APD üretilebilir. Farklı alaşım bileşenleri seçilerek, belirli dalga boyları için en iyi performans elde edilir.
(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As malzemesi bant aralığına (1.47 eV) sahiptir ve 1.55 mm dalga boyu aralığında emilim yapmaz. Saf elektron enjeksiyonu koşulunda, ince In0.52Al0.48As epitaksiyel katmanının, çarpan katman olarak InP'den daha iyi kazanç özellikleri 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 süperörgü yapılarının tanıtılmasıyla iyileştirilebileceğini göstermektedir. Süperörgü 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 malzemeleriyle 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, süperörgü 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 aralıklı bir kuaterner alaşımın eklenmesi karanlık akımı bastırabilir.
Gönderim zamanı: 13-11-2023