Özet: Çığ fotodedektörünün temel yapısı ve çalışma prensibi (APD fotodedektörBu bölümde, cihaz yapısının evrim süreci analiz ediliyor, mevcut araştırma durumu özetleniyor ve APD'nin gelecekteki gelişimi öngörülerek inceleniyor.
1. Giriş
Fotodedektör, ışık sinyallerini elektrik sinyallerine dönüştüren bir cihazdır.yarı iletken fotodedektörGelen foton tarafından uyarılmış foto-üretilen taşıyıcı, uygulanan önyargı voltajı altında harici devreye girer ve ölçülebilir bir fotoakım oluşturur. Maksimum tepki verme hızında bile, bir PIN fotodiyot en fazla bir elektron-delik çifti üretebilir; bu da dahili kazancı olmayan bir cihazdır. Daha yüksek tepki verme hızı için, bir çığ fotodiyot (APD) kullanılabilir. APD'nin fotoakım üzerindeki yükseltme etkisi, iyonlaşma çarpışma etkisine dayanmaktadır. Belirli koşullar altında, hızlandırılmış elektronlar ve delikler, yeni bir elektron-delik çifti üretmek için kafesle çarpışmak 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 tepki verme hızına ve dahili kazanca sahiptir, bu da cihazın sinyal-gürültü oranını iyileştirir. APD, esas olarak, alınan optik güç üzerinde diğer sınırlamalara sahip uzun mesafeli veya daha küçük optik fiber iletişim sistemlerinde kullanılacaktır. Şu anda birçok optik cihaz uzmanı APD'nin geleceği konusunda oldukça iyimser ve APD araştırmalarının ilgili alanların uluslararası rekabet gücünü artırmak için gerekli olduğuna inanıyor.
2. Teknik geliştirmeçığ fotodedektörü(APD fotodedektör)
2.1 Malzemeler
(1)Si fotodedektör
Silisyum malzeme teknolojisi, mikroelektronik alanında yaygın olarak kullanılan olgun bir teknolojidir, ancak optik iletişim alanında genel kabul gören 1,31 mm ve 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 dağılım gereksinimlerine uygun olsa da, hazırlama sürecinde büyük zorluklar bulunmaktadır. Ayrıca, Ge'nin elektron ve delik iyonlaşma oranı 1'e yakındır, bu nedenle yüksek performanslı APD cihazları hazırlamak zordur.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
APD'nin ışık emme katmanı olarak In0.53Ga0.47As ve çoğaltıcı katman olarak InP'nin seçilmesi etkili bir yöntemdir. In0.53Ga0.47As malzemesinin 1,65 mm, 1,31 mm ve 1,55 mm dalga boylarındaki soğurma tepe noktaları yaklaşık 104 cm-1 yüksek soğurma katsayısına sahiptir ve bu da onu günümüzde ışık dedektörlerinin soğurma katmanı için tercih edilen malzeme yapmaktadır.
(4)InGaAs fotodedektör/İçindefotodedektör
Işık emici katman olarak InGaAsP ve çoğaltıcı katman olarak InP seçilerek, 1-1,4 mm tepki dalga boyuna, yüksek kuantum verimliliğine, düşük karanlık akımına ve yüksek çığ kazancına sahip APD hazırlanabilir. Farklı alaşım bileşenleri seçilerek, belirli dalga boyları için en iyi performans elde edilir.
(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As malzemesi 1,47 eV'lik bir bant aralığına sahiptir ve 1,55 mm dalga boyu aralığında soğurma yapmaz. İnce In0.52Al0.48As epitaksiyel tabakasının, saf elektron enjeksiyonu koşulu altında, çoğaltıcı tabaka olarak InP'den daha iyi kazanç özellikleri elde edebileceğine dair kanıtlar mevcuttur.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs ve InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Malzemelerin çarpma iyonlaşma oranı, APD performansını etkileyen önemli bir faktördür. Sonuçlar, InGaAs (P) /InAlAs ve In (Al) GaAs/InAlAs süper kafes yapılarının eklenmesiyle çoklayıcı katmanın çarpışma iyonlaşma oranının iyileştirilebileceğini göstermektedir. Süper kafes yapısı kullanılarak, bant mühendisliği, iletim bandı ve 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 yığın malzemeleriyle karşılaştırıldığında, InGaAs/InAlAs kuantum kuyusu elektron iyonlaşma oranı (a) önemli ölçüde artar ve elektronlar ve delikler ekstra enerji kazanır. ΔEc>>ΔEv nedeniyle, elektronların kazandığı enerjinin, delik enerjisinin delik iyonlaşma oranına katkısından çok daha fazla elektron iyonlaşma oranını artırması beklenebilir (b). 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. Bununla birlikte, k değerini artırabilen bu InGaAs/InAlAs kuantum kuyusu yapılı APD'nin optik alıcılara uygulanması zordur. Bunun nedeni, maksimum tepkiyi etkileyen çarpan faktörünün, çarpan gürültüsü değil, karanlık akım tarafından sınırlandırılmasıdır. Bu yapıda, karanlık akım esas olarak dar bant aralığına sahip InGaAs kuyu tabakasının tünelleme etkisinden kaynaklanır, bu nedenle kuantum kuyusu yapısının kuyu tabakası olarak InGaAs yerine InGaAsP veya InAlGaAs gibi geniş bant aralığına sahip bir dörtlü alaşımın kullanılması karanlık akımı bastırabilir.
Yayın tarihi: 13 Kasım 2023