Özet: Çığ fotodedektörünün temel yapısı ve çalışma prensibi (APD fotodedektör) tanıtılır, cihaz yapısının evrim süreci analiz edilir, mevcut araştırma durumu özetlenir ve APD'nin gelecekteki gelişimi ileriye dönük olarak incelenir.
1. Giriş
Fotodetektör, ışık sinyallerini elektrik sinyallerine dönüştüren bir cihazdır.İçindeyarı iletken fotodetektörGelen foton tarafından uyarılan foto-oluşturulan taşıyıcı, uygulanan öngerilim voltajı altında harici devreye girer ve ölçülebilir bir fotoakım oluşturur.Maksimum yanıt verme hızında bile, bir PIN fotodiyodu en fazla yalnızca bir çift elektron deliği çifti üretebilir; bu, dahili kazancı olmayan bir cihazdır.Daha yüksek tepki süresi için çığ fotodiyodu (APD) kullanılabilir.APD'nin fotoakım üzerindeki amplifikasyon etkisi iyonizasyon çarpışma etkisine dayanmaktadır.Belirli koşullar altında, hızlandırılmış elektronlar ve delikler, yeni bir elektron-delik çifti çifti oluşturmak üzere kafesle çarpışmaya yetecek kadar enerji elde edebilir.Bu süreç bir zincirleme reaksiyondur, böylece ışık absorpsiyonu tarafından oluşturulan elektron-delik çifti çifti çok sayıda elektron-delik çifti üretebilir ve büyük bir ikincil fotoakım oluşturabilir.Bu nedenle APD, cihazın sinyal-gürültü oranını iyileştiren yüksek yanıt verebilirliğe ve dahili kazanca sahiptir.APD, alınan optik güçteki diğer sınırlamalarla birlikte esas olarak uzun mesafeli veya daha küçük fiber optik iletişim sistemlerinde kullanılacaktır.Şu anda birçok optik cihaz uzmanı, APD'nin geleceği konusunda oldukça iyimserdir ve APD araştırmasının, ilgili alanlardaki uluslararası rekabet gücünü artırmak için gerekli olduğuna inanmaktadır.
2. Teknik gelişmeçığ fotodetektörü(APD fotodedektör)
2.1 Malzemeler
(1)Si fotodetektör
Si malzeme teknolojisi, mikroelektronik alanında yaygın olarak kullanılan olgun bir teknolojidir ancak optik iletişim alanında genel olarak kabul edilen 1,31 mm ile 1,55 mm dalga boyu aralığındaki cihazların hazırlanmasına uygun değildir.
(2)Ge
Ge APD'nin spektral tepkisi, fiber optik iletimde düşük kayıp ve düşük dağılım gereksinimlerine uygun olmasına rağmen, hazırlama sürecinde büyük zorluklar bulunmaktadır.Ayrıca Ge'nin elektron ve delik iyonizasyon oranı oranı () 1'e yakın olduğundan yüksek performanslı APD cihazları hazırlamak zordur.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
APD'nin ışık emme katmanı olarak In0.53Ga0.47As'ı ve çarpan katmanı olarak InP'yi seçmek etkili bir yöntemdir.In0.53Ga0.47As malzemesinin absorpsiyon zirvesi 1.65 mm, 1.31 mm, 1.55 mm dalga boyu yaklaşık 104 cm-1 yüksek absorpsiyon katsayısıdır ve bu, şu anda ışık dedektörünün absorpsiyon katmanı için tercih edilen malzemedir.
(4)InGaAs fotodedektör/İçindefotodetektör
Işık emici katman olarak InGaAsP ve çarpan katmanı olarak InP seçilerek, 1-1.4 mm yanıt dalga boyuna, yüksek kuantum verimliliğine, düşük karanlık akıma 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 malzemesinin bant aralığı (1.47eV) vardır ve 1.55 mm dalga boyu aralığında absorbe etmez.İnce In0.52Al0.48As epitaksiyel katmanının, saf elektron enjeksiyonu koşulu altında çarpan katmanı 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 katmanının çarpışma iyonlaşma hızının, InGaAs (P) /InAlAs ve In (Al) GaAs/InAlAs süper örgü yapılarının eklenmesiyle geliştirilebileceğini göstermektedir.Süper örgü 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 (ΔEc>>ΔEv) çok daha büyük olmasını sağlayabilir.InGaAs yığın malzemeleriyle karşılaştırıldığında, InGaAs/InAlAs kuantum kuyusu elektron iyonizasyon hızı (a) önemli ölçüde artar ve elektronlar ve delikler ekstra enerji kazanır.ΔEc>>ΔEv nedeniyle elektronların kazandığı enerjinin, delik enerjisinin delik iyonlaşma hızına (b) olan katkısından çok daha fazla elektron iyonizasyon hızını arttırması beklenebilir.Elektron iyonlaşma hızının delik iyonlaşma hızına 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 kuyu yapısı APD'nin optik alıcılara uygulanması zordur.Bunun nedeni, maksimum duyarlılığı etkileyen çarpan faktörünün, çarpan gürültüsüyle değil, karanlık akımla sınırlı olmasıdır.Bu yapıda, karanlık akım esas olarak dar bant aralığına sahip InGaAs kuyu katmanının tünelleme etkisinden kaynaklanır, bu nedenle kuyu katmanı olarak InGaAs yerine InGaAsP veya InAlGaAs gibi geniş bant aralıklı bir dördüncül alaşımın eklenmesi Kuantum kuyusu yapısının karanlık akımı bastırabilmesi.
Gönderim zamanı: 13 Kasım 2023